обзор возобновляемых источников энергии

Солнечное излучение - один из наиболее перспективных источников энергии будущего. Предлагаем Вашему вниманию обзор возобновляемых источников энергии (и их сравнение по технико-экономическим параметрам с остальными). Большая часть материала посвящена типам и конструкциям фотоэлектрических станций. Разработчикам солнечных генераторов энергии пригодятся рекомендации по выбору компонентов и основные параметры солнечных модулей и элементов отечественного производства.

Первым вестником энергетического кризиса был кризис 70-х годов. С этого момента интерес квозобновляемым источникам энергии значительно возрос. Истощение запасов природныхневозобновпяемых источников энергии (нефть, газ, уголь и уран) и экологическая опасность от эксплуатации атомных и теплоэлектростанций только способствовали этому. К возобновляемым источникам энергии, прежде всего, относятся: солнечная энергия, энергия ветра, гидроэнергия, энергия биомассы.

Преобразование солнечной энергии в доступные для использования виды осуществляется двумя способами: фотоэлектрическим (прямое преобразование световой энергии в электрическую) и фототермическим (преобразование световой энергии в тепловую, а затем при необходимости, например, с помощью пара, в электрическую). При использовании возобновляемых источников решается проблема ограниченности ресурсов энергии. В таблице 1 приведены значения потенциальной энергии таких источников (в триллионах тонн условного топлива в год). Ресурсы любого из этих источников энергии достаточны для удовлетворения потребностей человечества в настоящем и будущем. Их повсеместное использование позволит решать и проблемы экологии. Какой именно источник энергии найдет наибольшее применение, покажет будущее, но проанализировать предпосылки можно уже сегодня.

ПОЧЕМУ СОЛНЕЧНАЯ? Сравним основные возобновляемые источники энергии по ряду показателей. Занимаемые площади. В таблице 2 приведены удельные мощности разных типов электростанций (с учетом площадей, занимаемых сооружениями и зданиями). При расчетах принималось, что все земли имеют одинаковую стоимость. Для тепловых и атомных станций учитывались территории, занятые под добычу угля и руды. Площади производств строительных и конструкционных материалов не учитывались - они приблизительно одинаковы для всех типов станций. Ожидается уменьшение удельной мощности атомных станций за счет увеличения территорий, занятых под захоронение отходов. Для солнечных станций (особенно фотоэлектрических) данный показатель должен увеличиваться за счет увеличения КПД преобразователей и большего использования возможности размещения их на крышах зданий.

Энергоотдача. Данный показатель определяется как отношение количества энергии, выработанной системой за срок службы, к количеству энергии, затраченной на производство материалов и оборудования (для этой системы).

Энергоотдача - основной (с точки зрения будущего полного перехода на возобновляемые источники энергии) показатель, т. к. характеризует реальный прирост энергии к общему балансу (табл. 3). Из таблицы видно, что лучшую энергоотдачу имеют солнечные станции (в перспективе ожидается, что значение еще улучшится). При использовании фотоэлектричества мы получаем возобновляемую энергию и расходуем минимальное количество невозобновляемых материалов (все материалы, кроме, например, древесины).

Более того, запасы основного материала - кремния (для изготовления стекла и солнечных элементов) достаточно велики. Фотоэлектрические преобразователи обладают значительными преимуществами:не имеют движущихся частей, что упрощает обслуживание, снижает его стоимость и увеличивает срок службы (вероятно, он будет достигать 100 лет - проблема не в самих преобразователях, а в герметизирующих материалах) при незначительном снижении эксплуатационных характеристик;пригодны для создания установок практически любой мощности. Сегодня сфера использования фотоэлектрических преобразователей (или солнечных батарей, солнечных модулей, V-модулей) быстро расширяется. Установочная мощность систем - в диапазоне от нескольких Вт (и даже менее) до нескольких МВт.

В таблице 4 приведены сегменты рынка фотоэлектричества (в МВт/год). Все фотоэлектрические системы делятся на дваосновных типа: автономные и соединенные с промышленной электрической сетью. Автономные системы предназначены для электроснабжения передвижных объектов или объектов, удаленных от основных линий электропередач (в труднодоступных местах, куда затруднена или экономически невыгодна прокладка линий). Использование в таких условиях фотоэлектричества наиболее эффективно и оправдано, а стоимость 1 кВтч электроэнергии - значительно ниже. Мощность автономных систем - в пределах 0,01... 100 кВт (схема такой станции приведена на рис. 1). Станции второго типа (соединенные с промышленной электрической сетью) отдают выработанную энергию непосредственно в промышленную сеть (которая служит одновременно накопителем и распределителем энергии).

Такие системы, установленные в городе на крышах и стенах зданий, могут обеспечивать электричеством само здание и компенсировать энергодефицит при пиковом энергопотреблении в полуденное время (схема такой станции - на рис.

2). Мощность станций второго типа может достигать нескольких МВт. Рассмотрим основные компоненты автономных фотоэлектрических систем. Солнечные модули. Солнечные модули - основная часть любой фотоэлектрической системы (типы систем рассмотрим ниже). Наибольшее распространение получили солнечные модули из монокристаллических или поликристаллических кремниевых элементов. Солнечные элементы могут быть круглыми (диаметром 100,125 и 150 мм) или квадратными (82 х 82,100 х х 100 или 125 х 125 мм). Мощность элементов - 0,9... 2,7 Вт. Солнечные модули наземного использования обычно конструируются для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12 В.

При этом последовательно соединяются 36 солнечных элементов (и затем собираются в модуль, разрез которого показан на рис. 3. ) Полученный пакет обычно обрамляют в алюминиевую раму, облегчающую крепление к несущей (опорной) конструкции. Мощность солнечных модулей может достигать 10... 300 Вт. Электрические параметры таких модулей представляются в виде вольтамперной характеристики, снятой пристандартных условиях (Standard Test Condition - STC),т.

е. когда мощность солнечной радиации составляет 1000 Вт/м, температура элементов - 25`С и солнечный спектр - на широте 45` (рис. 4). Точка пересечения кривой с осью напряжения называется напряжением холостого хода Voc, а сосью тока - током короткого замыкания Isc. На этом же рисунке приведена кривая мощности, отбираемой от солнечного модуля в зависимости от напряжения нагрузки. Номинальная мощность модуля определяется как наибольшая мощность при STC. Значение напряжения, соответствующее максимальной мощности называетсянапряжением максимальной мощности Vmp (рабочим напряжением), асоответствующий ток - током максимальной мощности Imp (рабочим током). Значение рабочего напряжения для модуля, состоящего из 36 элементов приблизительно равно 16.

.. 17 В (0,45... 0,47 В/элемент) при 25`С. Такой запас по напряжению необходим для того, чтобы компенсировать снижение рабочего напряжения при нагреве модуля (солнечным излучением) - температурный коэффициент напряжения холостого хода для кремния составляет ~ -0,4%/градус. Температурный коэффициент тока -положительный (0,07%/градус). Напряжение холостого хода модуля мало меняется при изменении освещенности (в то время как ток короткого замыкания прямо ей пропорционален). КПД солнечного модуля определяется как отношение максимальной мощности (модуля) к общей мощности излучения, падающей на его поверхность при STC, и составляет 11... 15%. Таблица 5. Количество дней без солнца на разных широтах по сезонамДля получения необходимой мощности и рабочего напряжения модули соединяют последовательно или параллельно.

Таким образом получаютфотоэлектрический генератор. Мощность генератора всегда меньше, чем сумма мощностей модулей - из-за потерь, обусловленных различием в характеристиках однотипных модулей (потерь на рассогласование). Чем тщательнее подобраны модули в генераторе (или, чем меньше различие в характеристиках модулей), тем меньше потери на рассогласование.

Например,при последовательном соединении десяти модулей с разбросом характеристик 10% потери составляют приблизительно 6%, а при разбросе 5% -уменьшаются до 2%. Таблица 6. Основные параметры солнечных модулей отечественного производстваПри затенении одного модуля (или части элементов в модуле) в генераторе при последовательном соединении возникает эффект горячего пятна -- затененный модуль (элемент) начинает рассеивать всю производимую освещенными модулями (элементами) мощность, быстро нагревается и выходит из строя. Для устранения этого эффекта параллельно с каждым модулем (или его частью) устанавливают шунтирующий диод. Диод необходим при последовательном соединении более двух модулей.

К каждой линейке (последовательно соединенных модулей) тоже подключается блокирующий диод для выравнивания напряжений линеек. Все эти диоды обычно размещаются в соединительной коробке самого модуля. Схема генератора приведена на рис. 5. Модули устанавливаются на стальных или алюминиевых опорных конструкциях на земле (или на крышах и фасадах зданий - и при этом служат одновременно кровельным или защитным материалом). Вольтамперная кривая генератора имеет тот же вид, что и единичного модуля. Рабочая точка генератора, подключенного к нагрузке, не всегда совпадает с точкой максимальной мощности (тем более, что положение последней зависит от условий освещенности и температуры окружающей среды).

Подключение таких нагрузок, как, например, электродвигатель, может сдвинуть рабочую точку системы в область минимальной или даже нулевой мощности (и двигатель просто не запустится). Поэтому следующий важный компонент солнечных электрических систем - преобразователи напряжения, способные согласовывать солнечный модуль с нагрузкой. Регуляторы отбора максимальной мощности. Как правило, в этих регуляторах реализуется принцип поиска максимума мощности путем коротких периодических изменений положения рабочей точки. Если при этом мощность на выходе прибора увеличивается, то положение рабочей точки изменяется в этом направлении при следующем шаге.

Таким образом постоянно оптимизируется нагрузочная характеристика для отбора максимальной мощности, а также обеспечивается возможность регулировки в широком динамическом диапазоне и формирования импульсов тока, способных зарядить аккумуляторную батарею даже в условиях малой освещенности. Этот достаточно простой алгоритм может быть улучшен запоминанием часто повторяющихся направлений смещения рабочей точки (для устранения шагов смещения в ложных направлениях), что бывает важно в условиях быстро меняющейся освещенности. На выходе регулятора формируются импульсы постоянного тока, ширина и частота следования которых зависит от мощности, производимой солнечным модулем в данный момент.

При этом, если рабочее напряжение нагрузки меньше, чем рабочее напряжение модуля, то можно получать большие значения токов в нагрузке, чем ток короткого замыкания модуля. Следует учитывать, что регуляторы имеют КПД 0,85... 0,95. Самый большой выигрыш в мощности регулятор дает при работе модуля, собранного из 36 элементов, на аккумуляторную батарею с напряжением 12В при низких значениях температуры окружающей среды (рис. 6). Аккумуляторные батареи. кинетическая энергия вращающихся масс или сжатого воздуха в резервуарах. Для фотоэлектрических систем больше подходят электрохимические аккумуляторы, т. к. солнечный модуль производит, а потребитель потребляет электроэнергию, которая непосредственно и запасается в аккумуляторе.

Исключение -с олнечные станции для водоснабжения, где потребляется вода (энергия хранится в потенциальной форме в водных резервуарах). Большинство фотоэлектрических систем используют свинцово-кислотные аккумуляторы. Основными условиями по выбору аккумуляторов являются:простота в обслуживании. Важный параметр переносных (или периодически демонтируемых) солнечных систем -компактность и герметичность. Этим требованиям в полной мере удовлетворяют аккумуляторы, выполненные по технологиям dryfit и AGM (абсорбированный электролит) или рекомбинационной технологии. Они характеризуются отсутствием эксплуатационных затрат и перекрывают диапазон емкостей 1.

.. 12 000 Ач (что позволяет удовлетворять требованиям любых потребителей). Выделяющиеся при зарядке газы не выходят из аккумулятора, поэтому электролит не расходуется и обслуживание не требуется. Например, серия аккумуляторов SMG фирмы FIAMM (Италия) объединяет преимущества рекомбинационной технологии и обычных открытых батарей с трубчатыми положительными пластинами. Аккумуляторы имеют:саморазряд - приблизительно 3% в месяц. Стоимость аккумуляторов и батарей такого типа составляет 150... 250 $/кВтч. Поэтому, при необходимости можно использовать обычные стартерные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (25... 35 $/кВтч). Срок эксплуатации таких батарей в составе солнечной станции - не более 3... 5 лет, поэтому за срок эксплуатации станции (15.

.. 20 лет и более) нужно будет заменять батареи (к этому добавятся затраты на обслуживание батарей и оборудование помещений). Если обслуживание проводит сам потребитель (а так бывает при использовании фотоэлектричества для электроснабжения отдельно стоящих удаленных жилых объектов - лесничества, дачные, сторожевые домики), то учитывая распространенность данного типа батарей, их применение в солнечных станциях оправдано. Для получения необходимого рабочего напряжения аккумуляторы или аккумуляторные батареи соединяют последовательно. При этом:применяют аккумуляторы только одного типа, выпущенные одним производителем;используют все аккумуляторы одновременно, не делая отводов от отдельных частей;обеспечивают разницу температур отдельных аккумуляторов не более 3`С.

Для продления срока службы аккумуляторов при циклическом режиме работы в солнечных системах важно не допускать и глубокого разряда. Степень разряда характеризуетсяглубиной разряда (DOD). выражаемую в процентах от номинальной емкости аккумулятора. На рис. 7 приведена зависимость емкости аккумулятора (в процентах от номинальной) в зависимости от количества отработанных циклов при разной глубине разряда (тип аккумуляторов FIAMM GS).

Эксплуатация аккумуляторов при глубоком разряде приводит к необходимости их более частой замены и обслуживания - и, соответственно, к удорожанию системы. Глубину разряда аккумуляторов в солнечных системах стремятся ограничить на уровне 30... 40%, что достигается отключением нагрузки (снижением мощности) или использованием аккумуляторов большей емкости. Поэтому, для управления процессом зарядки и выбора оптимального режима в состав солнечной электрической станции обязательно включают контроллеры зарядки разрядки аккумуляторной батареи. Регуляторы зарядки-разрядки.

Стоимость регулятора заряда составляет не более 5% от стоимости всей системы (но от качества зарядных регуляторов зависит ее работа). Чтобы защитить батарею от избыточной разрядки, нагрузка должна быть отключена, когда напряжение батареи падает ниженапряжения отключения. Нагрузка не должна подключаться до момента, когда напряжение не возрастет до определенного порога(напряжения подключения). Существуют довольно противоречивые стандарты этих значений. Они зависят от конструкции определенных батарей, производственного процесса и срока службы батарей. В некоторых моделях регуляторов используется звуковой сигнал, который сообщает пользователю о скором отключении нагрузки.

Может предусматриваться и ручное отключение контроля нагрузки. Чтобы защитить батарею от перезарядки необходимо ограничить зарядный ток по достижениинапряжения окончания зарядки. Напряжение начнет снижаться, пока не достигнет другого порога, называемогонапряжением возобновления заряда. На практике выбор напряжения окончания и возобновления заряда -компромисс между обеспечением полного заряда (и усиленного испарения электролита при высоких напряжениях) и недозаряда (предотвращением коррозии электродов и потребления воды -низкие напряжения).

Небольшие системы имеют тенденцию к перепотреблению энергии (а не к перезарядке) поэтому допускается перезарядка (высокое потребление воды) и следует использовать более высокое напряжение окончания заряда. Некоторые производители включают в набор функций регулятора управляемую перезарядку для выравнивания напряжения на аккумуляторах в батарее. Перезарядку следует проводить при постоянном напряжении 2,5 В/элемент после каждой глубокой разрядки и/или каждые 14 дней длительностью 1... 5 часов. Нет необходимости проводить управляемую перезарядку в малообслуживаемых и необслуживаемых аккумуляторных батареях.

Все вышеуказанные значения напряжений должны измеряться непосредственно на клеммах батареи, поэтому падение напряжения на соединительных проводах аккумуляторной батареи и регулятора не должно превышать 4% от номинального в самых неблагоприятных рабочих условиях (т. е. когда подключена максимальная нагрузка, а из солнечного генератора не поступает ток). Если это невозможно или дорого, то проводят отдельную сигнальную линию на регулятор. Электрические нагрузки, требующие высокого значения начального тока (например, электродвигатели) могут приводить к кратковременному падению напряжения на батарее ниже напряжения отключения нагрузки (даже если батарея имеет достаточный заряд). Чтобы предотвратить эту ситуацию, необходимо отключать нагрузку на 3,.. 30с после достижения порога напряженияотключения нагрузки.

температурная компенсация значений пороговых напряжений (это бывает необходимо, если предполагается эксплуатация батарей при температурах ниже минус 10`С). Регуляторы имеют светодиодную или жидкокристаллическую индикацию режимов работы и изготавливаются, как правило, в отдельном пы-левлагозащищенном корпусе. Класс защиты - от I 32 (защита от песка и дождевых брызг) до I 65 (пылевла-гонепроницаемый). Все сказанное относится к регуляторам для автономных солнечных систем небольшой мощности (до 1кВт). В более мощных системах функции контроля зарядки и разрядки берет на себя системный контроллер (управляющий также всей системой).

В большинстве случаев это устройство сопряжено с компьютером (осуществляющим к тому же непрерывный мониторинг за работой компонентов с запоминанием значений освещенности, температуры, тока и напряжения для последующего анализа). Инверторы. Солнечный генератор (каким бы сложным и большим он не был) может вырабатывать только постоянный ток. К счастью, существует много потребителей, использующих именно постоянный ток (зарядка аккумуляторов, освещение, радиоаппаратура и др. ). Для преобразования постоянного тока аккумуляторной батареи в переменный синусоидальной формы необходим инвертор. Инверторы - полупроводниковые приборы. Они могут быть разделены на два типа в соответствии с типом фотоэлектрических систем: 1) инверторы для автономных систем и 2) инверторы для сетевого применения.

Выходной каскад у обоих типов во многом похож, а главное отличие - в схеме управления. Первый тип имеет генератор частоты, а второй должен работать синхронно с промышленной сетью (и в качестве генератора частоты использует саму сеть). Для всех типов основной параметр - КПД (который должен быть более 90%). Выходное напряжение автономных инверторов в большинстве случаев составляет 220 В (50/60 Гц), а в инверторах мощностью 10.

.. 100 кВт можно получать трехфазное напряжение 380 В. Все автономные инверторы преобразуют постоянный ток аккумуляторных батарей, поэтому входное напряжение выбирается из ряда 12, 24, 48 и 120 В. Чем больше входное напряжение, тем проще инвертор и тем больше его КПД.

При больших напряжениях значительно меньше потери на передачу энергии от солнечного генератора к аккумуляторной батарее, регулятору зарядки и инвертору, но при этом усложняется конструкция солнечного генератора и его эксплуатация при опасных напряжениях (выше 40 В). К форме выходного сигнала автономных инверторов предъявляются менее жесткие требования. В ряде случаев (если позволяет нагрузка) возможно применение инверторов с трапециевидным выходным сигналом. Такие инверторы стоят в 2... 3 раза дешевле инверторов с синусоидальным выходным сигналом.

Важный параметр автономных инверторов - зависимость КПД от мощности подключенной нагрузки. КПД не должен заметно снижаться при подключении нагрузки в десять раз меньшей (по потребляемой мощности), чем номинальная мощность инвертора. В то же время инвертор должен выдерживать перегрузки в выходных цепях (при подключении электродвигателей или других динамичных нагрузок). В идеальном случае к автономному инвертору предъявляются следующие требования:способность выдерживать перегрузки (как кратковременные, так и длительные);отсутствие помех на радиочастотах. Зарубежные фирмы предлагают широкий ассортимент инверторов, специально разработанных для фотоэлектрических систем.

Такие инверторы включают блок регулятора отбора максимальной мощности, блок регулятора заряда, а также дополнительный вход подключения дизель-генератора (для экстренной подзарядки батареи). Стоимость таких устройств-0,5... 1 $/Вт выходной мощности. К выходному сигналу сетевых инверторов предъявляются самые жесткие требования. Для уменьшения потерь на преобразование такие инверторы работают при высоких входных напряжениях (до 1000 В). Так как их входные цепи запитываются непосредственно от солнечного генератора, инверторы имеют регулятор отбора максимальной мощности (встроенный в инвертор). Сетевые инверторы имеют также блок контроля мощности солнечного генератора (и включаются автоматически, как только мощность генератора становится достаточной для формирования переменного сигнала).

Под расчетом системы понимается: 1) пределение номинальной мощности солнечных модулей и схемы их соединения, 2) выбор типа, условий работы и емкости аккумуляторной батареи, 3) выбор типа и мощности инвертора, 4) определение параметров соединительных кабелей и т. д. Сегодня основная задача фотоэлектрической энергетики - автономное электроснабжение объектов, поэтому мы ограничимся расчетом автономной фотоэлектрической станции мощностью до 5 кВт. Схема станции была приведена на рис. 1. Предположим, что система предназначена для потребителей переменного и постоянного тока. Дальнейшее увеличение использования фотоэлектрических станций способствует общему развитию промышленности. И в этой области отечественные производители могут конкурировать на общемировом уровне с иностранными.

Электронные компоненты, 2000, 5..