Альтернативные источники энергии

     Важным  моментом работы солнечных элементов  является их температурный режим. При нагреве элемента на один градус свыше 25оС он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4 %/градус. На рис.8 приведено семейство кривых ВАХ для температур 25° С и 60° С. В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70°С теряя 0,07-0,09 В каждый. Это и является основной причиной снижения КПД солнечных элементов, приводя к падению напряжения, генерируемого элементом[3, стр.109]. КПД обычного солнечного элемента в настоящее время колеблется в пределах 10-16 %. Это значит, что элемент размером 100*100 мм при стандартных условиях может генерировать 1-1,6 Вт. 
 
 
 
 
 

     
 

     Рисунок 8 – Зависимость получаемой мощности от напряжения кремневой солнечной батареи 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   

     Рисунок 9 – Зависимость тока от напряжения кремневой солнечной батареи 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Стандартными условиями для паспортизации элементов во всем мире признаются следующие :

     - освещенность 1000 Вт/м2

     - температура 25°С

     - спектр АМ 1,5 (солнечный спектр на широте 45°)

     Солнечные модули являются основным компонентом  для построения фотоэлектрических систем (ФЭС). Они могут быть изготовлены с любым выходным напряжением. После того как солнечные элементы подобраны - их необходимо спаять. Серийные элементы снабжены токосъемными сетками для припайки к ним проводников. Батареи можно составлять в любой комбинации.

     Простейшей  батареей является цепочка из последовательно  соединенных элементов. Можно соединить эти цепочки параллельно, получив так называемое последовательно-параллельное соединение. Параллельно можно соединять лишь цепочки (линейки) с идентичным напряжением, при этом их токи согласно закону Кирхгофа суммируются.

     При наземном использовании они обычно используются для зарядки аккумуляторных батарей (АКБ) с номинальным напряжением 12 В. В этом случае, как правило, 36 солнечных элементов соединяются последовательно и герметизируются посредством ламинации на стекле, текстолите, аллюминии. Элементы при этом находятся между двумя слоями герметизирующей пленки, без воздушного зазора. Технология вакуумной ламинации позволяет выполнить это требование. В случае воздушной прослойки между защитным стеклом и элементом, потери на отражение и поглощение достигли бы 20-30 % по сравнению с 12 % - без воздушной прослойки. Электрические параметры солнечного элемента представляются как и отдельного солнечного элемента в виде вольтамперной кривой при стандартных условиях, т.е., при солнечной радиации 1000 Вт/м2, температуре - 25°С и солнечном спектре на широте 45° (АМ1,5). Точка пересечения кривой с осью напряжений называется напряжением холостого хода - Uxx, точка пересечения с осью токов – током короткого замыкания Iкз. 
 
 
 
 
 
 

 

     Рисунок 10 – Вольт-амперная характеристика солнечной батареи 
 
 
 
 
 
 
 

     Максимальная  мощность модуля определяется как наибольшая мощность при стандартных условиях. Напряжение, соответствующее максимальной мощности, называется напряжением максимальной мощности (рабочим напряжением - Up ), а соответствующий ток - током максимальной мощности (рабочим током - Ip ).

     Значение  рабочего напряжения для модуля, состоящего из 36 элементов, таким образом, будет около 16…17 В (0,45….0,47 В на элемент) при 25° С. Такой запас по напряжению по сравнению с напряжением полного заряда АКБ (14,4 В) необходим для того, чтобы компенсировать потери в контроллере заряда-разряда АКБ (о нем речь пойдет позже), а в основном - снижение рабочего напряжения модуля при нагреве модуля излучением : температурный коэффициент для кремния составляет около минус 0,4 %/градус (0,002 В/градус для одного элемента).

     Следует заметить, что напряжение холостого хода модуля мало зависит от освещенности, в то время как ток короткого замыкания, а соответственно и рабочий ток, прямо пропорциональны освещенности. Таким образом, при нагреве в реальных условиях работы, модули разогреваются до температуры 60-70о°С, что соответствует смещению точки рабочего напряжения, к примеру, для модуля с рабочим напряжением 17 В - со значения 17 В до 13,7-14,4 В (0,38-0,4 В на элемент). Исходя из всего выше сказанного, и надо подходить к расчету числа последовательно соединенных элементов модуля.

     Расчёт  фотоэлектрической системы.

     Все фотоэлектрические системы (ФЭС) можно  разделить на два типа : автономные и соединенные с электрической сетью. Станции второго типа отдают излишки энергии в сеть, которая служит резервом в случае возникновения внутреннего дефицита энергии.

     Автономная  система в общем случае состоит  из набора солнечных модулей, размещенных на опорной конструкции или на крыше, аккумуляторной батареи (АКБ), контроллера разряда - заряда аккумулятора, соединительных кабелей. Если потребителю необходимо иметь переменное напряжение, то к этому комплекту добавляется инвертор-преобразователь постоянного напряжения в переменное. Под расчетом ФЭС понимается определение номинальной мощности модулей, их количества, схемы соединения; выбор типа, условий эксплуатации и емкости АКБ; мощностей инвертора и контроллера заряда-разряда; определение параметров соединительных кабелей. Прежде всего, надо определить суммарную мощность всех потребителей, подключаемых одновременно. Мощность каждого из них измеряется в ваттах и указана в паспортах изделий. На этом этапе уже можно выбрать мощность инвертора, которая должна быть не менее, чем в 1,25 раза больше расчетной. Следует иметь в виду, что такой хитрый прибор как компрессорный холодильник в момент запуска потребляет мощность в 7 раз больше паспортной. Номинальный ряд инверторов 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 Вт. Для мощных станций (более 1кВт) напряжение станции выбирается не менее 48 В, т.к. на больших мощностях инверторы лучше работают с более высоких исходных напряжений. Следующий этап - это определение емкости АКБ. Емкость АКБ выбирается из стандартного ряда емкостей с округлением в сторону, большую расчетной. А расчетная емкость получается простым делением суммарной мощности потребителей на произведение напряжения АКБ на значение глубина разряда аккумулятора в долях.

     Например, если суммарная мощность потребителей 1000 Втч в сутки, а допустимая глубина  разряда АКБ 12 В - 50 %, то расчетная  емкость составит: 

                               1000 / (12 * 0,5) = 167 Ач                                                     (1) 

     При расчете емкости АКБ в полностью  автономном режиме необходимо принимать  во внимание и наличие в природе  пасмурных дней в течении которых аккумулятор должен обеспечивать работу потребителей.

     Последний этап – это определение суммарной мощности и количества солнечных модулей. Для расчета потребуется значение солнечной радиации,  
 
 
 
 
 

 

     Рисунок 11 – Структура системы на солнечных элементах 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     которое берётся в период работы станции, когда солнечная радиация минимальна. В случае круглогодичного использования - это декабрь. В табл. 2 даны месячные и суммарные годовые значения солнечной радиации для основных регионов России, а также с градацией по различным ориентациям световоспринимающей плоскости.

     Взяв  оттуда значение солнечной радиации за интересующий нас период и разделив его на 1000, получим так называемое количество пикочасов, т.е., условное время, в течении которого солнце светит как бы с интенсивностью 1000 Вт/м2.

     Например, для широты Москвы и месяца-июля значение солнечной радиации составляет 167 кВтч/м2 при ориентации площадки на юг под углом 40о к горизонту. Это значит, что условно солнце светит в июле 167 часов (5,5 часов в день) с интенсивностью 1000 Вт/м2, хотя максимальная освещенность в полдень на площадке, ориентированной перпендикулярно световому потоку, не превышает 700-750 Вт/м2.

     Модуль  мощностью Рw в течении выбранного периода выработает следующее количество энергии [3]: 

                               W = k Pw E / 1000,                                                                (2) 

     где Е - значение инсоляции за выбранный  период, k- коэффициент равный 0,5 летом и 0,7 в зимний период.

     Он (k) делает поправку на потерю мощности солнечных элементов при нагреве  на солнце, а также учитывает наклонное  падение лучей на поверхность  модулей в течении дня. Разница в его значении зимой и летом обусловлена меньшим нагревом элементов в зимний период. Исходя из суммарной мощности потребляемой энергии и приведенной выше формулы - легко рассчитать суммарную мощность модулей. А зная ее, простым делением ее на мощность одного модуля, получим количество модулей. При создании ФЭС настоятельно рекомендуется максимально снизить мощность потребителей. Например, в качестве осветителей использовать (по возможности) только люминесцентные лампы. Такие светильники, при потреблении в 5 раз меньшем, обеспечивают световой поток, эквивалентный световому потоку лампы накаливания.

     Для небольших ФЭС целесообразно  устанавливать ее модули на поворотном кронштейне для оптимального разворота относительно падающих лучей. Это позволит увеличить мощность станции на 20-30 %. Во многих случаях необходимо, чтобы электроприборы и оборудование работали и при отсутствии света. Для этого следует накопить в аккумуляторной батарее (АКБ) электрическую энергию, вырабатываемую солнечными модулями в течении дня. Наиболее приемлемы для этой цели свинцово-кислотные и щелочные АКБ.

     Для переносных и периодически демонтируемых  ФЭС важным параметром оказывается компактность и герметичность. Этому требованию удовлетворяют АКБ, выполненные по технологии AGV (гелеобразный электролит, абсорбированный в пористый наполнитель). Они характеризуются отсутствием необходимости обслуживания на протяжении всего срока службы, отсутствием газовыделения, способностью работать в любом положении относительно горизонтального. Правильные заряд и разряд АКБ является одним из наиболее важных условий, позволяющих обеспечить длительный срок службы АКБ. Чрезмерный заряд не только уменьшает количество электролита, но может вывести аккумуляторную батарею из строя. Для продления срока службы следует не допускать и глубокого разряда. Разряды АКБ выше уровня 50% резко снижают количество циклов заряда-разряда. Несоблюдение этого условия приводит к необходимости более частой замены АКБ, что удорожает систему.

     Для управления режимами заряда-разряда  АКБ предназначен контроллер зарядки-разрядки. Он отключает солнечные модули от АКБ при ее полной зарядке, предотвращая выкипание электролита, а также отключает нагрузку по достижении АКБ установленной глубины разряда. В различных моделях контроллеров предусмотрена возможность регулировки напряжения отключения солнечных модулей при полной зарядке АКБ и глубины       разряда АКБ.

Инвертор  предназначен для преобразования напряжения 12 В в переменнное 220 В. Следует  различать инверторы с нормальной и модифицированной синусоидой на выходе. Если первая почти полностью соответствует форме напряжения в сети, то вторая, практически прямоугольной формы, подходит не всем потребителям. Например, утюг будет работать нормально, но телевизор - в полэкрана. Кроме того прямоугольное напряжение - источник радиопомех.

     КПД инвертора обычно составляет 90%.  

Таблица 2 - Годовая инсоляция одного квадратного метрагоризонтальной площадки в разных городах России в м [5].

 

     Количество  попадающего на освещаемую поверхность  потенциально полезного солнечного излучения определяется понятием, именуемым инсоляцией. Солнечная инсоляция сильно изменяется от одной точки земной поверхности к другой. Степи Астрахани получают значительно больше света, чем Петрозаводск или Санкт-Петербург. При нахождении величины инсоляции какого-либо района необходимо учитывать несколько факторов: 
       -  влияние времени года, обуславливающее более низкую освещенность и долготу дня зимой;

      - характер местности, освещаемой солнцем (наличие загораживающих солнце деталей рельефа);        

-  местные погодные условия (облачность, туман, дождь); 
       -  длительность солнечного облучения, т.к. солнечные лучи, падающие на освещаемую поверхность под очень малым углом, малопригодны для использования. Как говорится, "…и хотя закат может быть восхитительным, его лучи далеко не так энергичны, как хотелось бы.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

     Увеличивающееся загрязнение окружающей среды, нарушение  теплового баланса атмосферы  постепенно приводят к глобальным изменением климата. Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с всё нарастающей  остротой показывают неизбежность перехода к нетрадиционным, альтернативным источникам энергии. Они экологичны, возобновляемы, основой их служит энергия Солнца и Земли.

     Основные  причины, указывающие на важность скорейшего перехода к АИЭ:

• Глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке;
• Политический: та страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы;
• Экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную - постоянно растут;
• Социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, - всё это увеличивает социальную напряженность;
• Эволюционно-исторический: в связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.