IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Принципиально солнечные электростанции (СЭС) могут быть двух типов: термодинамические и фотоэлектрические. Термодинамические СЭС основаны на нагревании теплоносителя солнечным излучением с помощью специальных оптических систем с дальнейшим преобразованием тепловой энергии в механическую и далее в электрическую.

Фотоэлектрические станции используют эффект прямого преобразования солнечного излучения в электроэнергию, открытый в 1839 году французским физиком Беккерелем. Фотоэлементы в большинстве случаев представляют собой кремниевые полупроводниковые фотодиоды. При поглощении света полупроводниковой структурой энергия фотонов передается электронам материала, что вызывает появление свободных носителей заряда. Носители заряда создают потенциальный градиент в области р-n - перехода, под воздействием которого возникает электрический ток через электроприёмники.

Преобразование солнечного излучения в тепловую энергию теплоносителя может быть осуществлено по трём принципам: применение рассредоточенных коллекторов, использование системы с центральной солнечной башней, построение солнечного коллектора с центральной трубой.

Солнечные электростанции с рассредоточенными коллекторами имеют на сегодняшний день наибольшее распространение. Преобразование солнечного излучения в тепловую энергию теплоносителя осуществляется множеством сравнительно небольших концентрирующих коллекторов, каждый из которых независимо ориентируется на солнце. Концентраторы имеют зеркальную отражательную поверхность параболической формы. В фокусе концентраторов устанавливается приемное устройство, в котором солнечная энергия передаётся жидкости - теплоносителю. Нагретая жидкость от всех коллекторов консолидируется, и ее тепловая энергия используется для получения механической энергии в соответствующих тепловых двигателях.

В качестве теплоносителя может использоваться вода, которая под воздействием концентрированного солнечного излучения преобразуется в пар, используемый в паровой турбине. Часто теплоносителями в солнечном контуре являются различные химические вещества с высокой теплоемкостью и температурой кипения (например, натрий, диссоциированный аммиак, углеводородный оксид дифениля и др.). В последнем случае в состав СЭС входит теплообменник, предназначенный для получения водяного пара во вторичном контуре. Далее пар высокого давления поступает на лопатки турбины, которая вращает турбогенератор. Использованный пар после турбины концентрируется и возвращается в энергетический блок, где вода вновь преобразуется в пар.

В течение летних месяцев СЭС, построенная южнее 45^о северной широты, может работать по 10-12 часов в день с номинальной мощностью. Однако темное время суток и сезонные колебания продолжительности светового дня определяют необходимость дублирующих энергетических установок на органическом топливе. Часто, для согласования мощностей СЭС и потребителей электроэнергии, в состав станции вводят накопители тепловой энергии, позволяющие эффективно покрывать энергопотребление в часы максимальных нагрузок.

СЭС с параболическими зеркалами на сегодня представляют самый распространенный тип электростанций, мощность которых достигает 80 МВт с ближайшей перспективой строительства станций на мощности 160 и 320 МВт.

В солнечных электростанциях башенного типа оптическая система представляет собой комплекс однотипных, автономно ориентируемых зеркал-гелиостатов. Приемник концентрированного солнечного излучения устанавливается на башне. Дальнейшие преобразования тепловой энергии в электрическую осуществляются аналогично энергопреобразованию на тепловых электростанциях.

В эксплуатационно-техническом плане СЭС башенного типа менее зрелы, чем станции с рассредоточенными коллекторами. Однако в течение последних двадцати лет были построены экспериментальные станции во многих странах: США, Японии, Испании, Италии, Франции и др. Проводятся исследования процессов энергопреобразования во всех элементах СЭС, в том числе и перспективных типов тепловых машин, таких как двигатели Стерлинга, Брайтона.

Разновидностью СЭС термодинамического типа является электростанция в виде «солнечной трубы», проект которой был разработан в начале 80-х годов XX века. Идея такой электростанции состоит в нагревании большого объема воздуха, находящегося под солнечным коллектором большой площади. Нагретый воздух поднимается и засасывается в трубу, где создается устойчивый воздушный поток, вращающий аэрогенератор.

Для получения приемлемых технико-экономических характеристик такой СЭС «солнечная труба» должна быть очень больших размеров. Так, опытный образец станции с номинальной мощностью 50 кВт, построенный и успешно проработавший 7 лет в Испании, имел диаметр крыши-коллектора 240 м и высоту трубы 197 м.

Следует отметить, что подобные СЭС хорошо сочетаются с сельскохозяйственным производством – например, с теплицами, что позволяет повышать их экономические показатели.

Основными путями совершенствования термодинамических СЭС сегодня являются:

• увеличение единичной мощности станций;

• улучшение их экологических характеристик, достигаемых путем замены дублирующих ТЭС накопителями тепловой энергии;

• повышение энергоэффективности основных элементов солнечных электростанций, что в конечном итоге определяет снижение стоимости производимой ими электроэнергии.

В целом СЭС термодинамического типа целесообразны для применения в «большой» системной энергетике. Такие станции производят достаточно дешевую электроэнергию, сопоставимую по цене с электроэнергией экологически чистых ТЭС.

Фотоэлектрическая станция, кроме собственно фотопреобразователя - солнечной панели, содержит аккумуляторную батарею с зарядным устройством, инвертор для преобразования постоянного напряжения в переменное стандартной частоты и другие вспомогательные элементы. Основные элементы фотоэлектрической системы показаны на рис.1.

Рисунок 1 - Структурная схема фотоэлектростанции: 1 - солнечные панели; 2 - диоды;

- контроллер пиковой мощности; 4 - контроллер зарядного тока; 5 - ключ; 6 - авто-

номный инвертор; 7 - зарядное устройство; 8 - аккумуляторная батарея; 9 - нагрузка.

Солнечные панели 1 выдают электроэнергию в соответствии с интенсивностью солнечного освещения. Контроллер 3 обеспечивает режим генерирования максимума мощности для текущих климатических условий, коммутирующее устройство 5 обеспечивает подключение выхода панелей к инвертору 6, питающему нагрузки переменного тока 9. Избыточная мощность через зарядное устройство 7 аккумулируется в аккумуляторной батарее 8. При отсутствии солнечного света нагрузка питается от аккумулятора. Диод в цепи аккумуляторной батареи защищает ее от избыточного заряда, а диоды в цепи солнечных панелей не позволяют аккумулятору разряжаться на панель при отсутствии освещения.

Собственно солнечные панели представляют собой группы из нескольких фотоэлектрических модулей, соединенных последовательно-параллельно для получения требуемых мощности и напряжения. Модуль, в свою очередь, объединяет несколько солнечных ячеек - фотоэлементов.

Большинство фотоэлементов представляет собой кремниевые полупроводниковые фотодиоды. При облучении полупроводниковой структуры внешним источником света, энергия полученных фотонов передается электронам, что вызывает появление свободных носителей электрического заряда, разделенных p-n переходом. Носители заряда: электроны и дырки создают потенциальный градиент в области перехода и создают ток при наличии внешней электрической цепи.

Энергетические характеристики фотоэлементов, главным образом, определяются следующими факторами: интенсивностью солнечного освещения, величиной нагрузки, рабочей температурой. Влияние интенсивности солнечного освещения на вид вольт-амперной характеристики солнечного модуля иллюстрируется кривыми, показанными на рис. 2.

Рисунок 2 - Вольт-амперные характеристики модуля при различной интенсивности

солнечного освещения

При снижении интенсивности солнечного излучения вольт-амперная характеристика фотоэлемента сдвигается вниз, что определяет значительное снижение тока короткого замыкания. Напряжение холостого хода при этом уменьшается незначительно.

Величиной, оказывающей влияние на интенсивность облучения фотоэлектрической панели, является угол падения солнечных лучей на ее поверхность. Если обозначить через Q угол падения лучей, отложенный от нормали приемной поверхности панели, то зависимость тока нагрузки, вызываемого солнечной батареей, от величины Q имеет косинусоидальный характер:

I = I_ocosQ,

где I_o - максимальный ток панели, облучаемой перпендикулярно падающими световыми лучами.

Указанная зависимость, называемая косинусом Kelly, дает удовлетворительный результат для углов Q в диапазоне от 0 до 50^о. С дальнейшим увеличением Q выходные параметры фотопреобразователя заметно отклоняются от косинусоидальной зависимости и при Q = 85^о ячейка прекращает генерировать электроэнергию.

Следует отметить, что коэффициент полезного действия фотопреобразователя мало зависит от интенсивности солнечной радиации в рабочем диапазоне. Данная зависимость представлена графически на рис. 3.

Рисунок 3 - Зависимость эффективности фотопреобразования от интенсивности

солнечной радиации

По графику видно, что в диапазоне изменения интенсивности солнечного излучения 800... 1000 Вт/м² эффективность фотопреобразования меняется незначительно. Следовательно, мощность фотоэлектрического модуля в облачный день снижается по сравнению с солнечным днем только из-за меньшей солнечной энергии, падающей на приемную поверхность фотопреобразователя. Обычно, при небольшой облачности, солнечная панель может выдавать до 80 % своей максимальной мощности. В пасмурную погоду эта величина снижается до 30 %. Для солнечных панелей большой площади, состоящих из множества последовательно-параллельно соединенных ячеек, следует учитывать теневой эффект, возникающий при частичном затемнении панели.

Если ячейка в последовательной цепи полностью затенена, то она из источника мощности превращается в потребителя. Из-за последовательной связи с освещенными ячейками в цепи протекает ток, разогревающий затененную ячейку мощностью потерь, выделяющейся на ее внутреннем сопротивлении.

Таким образом, происходит снижение электрической мощности, снимаемой с панели. Для минимизации отрицательного влияния теневого эффекта на энергетику солнечной панели последовательную цепь фотоэлектрических модулей делят с помощью обходных диодов (рис.4) на несколько коротких участков.

Рисунок 4 - Схема включения обходных диодов

Следовательно, генерируемая модулем мощность увеличивается при более низкой температуре. Однако максимуму мощности при различных температурах соответствуют различные напряжения. Для устранения этого недостатка фотоэлектростанция должна снабжаться регулятором напряжения (рис.5).

Рисунок 5 - Зависимость мощностной характеристики солнечного модуля от его температуры

Рабочая точка фотоэлектростанции от температуры электрической панели может быть определена как точка пересечения ее вольт-амперной характеристики с вольт-амперной характеристикой нагрузки. Точно также может быть определена рабочая точка на пересечении энергетических характеристик фотопреобразователя и нагрузки. Вид рабочих характеристик системы показан на рис. 6. Очевидно, что максимальную мощность можно снять с солнечной батареи на нагрузку с сопротивлением R2.

Рисунок 6 - Вольт-амперные и энергетические характеристики фотоэлектрических систем: R1, R2, R3 - сопротивления нагрузок

Солнечные элементы на основе кремния имеют КПД 12...15 %. КПД лабораторных образцов достигает 23 %. Мировое производство солнечных элементов превышает 50 МВт в год и увеличивается ежегодно на 30 %.

Каскадное соединение модульных фотопреобразователей позволяет построить фотоэлектрические станции (ФЭС) на мощности до сотен кВт. Общая площадь солнечной панели, требуемой для получения необходимой мощности энергоустановки определяется исходя из приведенных выше значений КПД фотопреобразования и удельного уровня электрической освещенности поверхности солнечной батареи, которая зависит от времени суток, широты местности, метеоусловий, расположения поверхности фотопреобразователя относительно солнечного излучения и др.

Лучистая энергия Солнца используется биосферой со времен появления жизни на планете. Превращение солнечной энергии в механическую впервые было продемонстрировано на Всемирной выставке в Париже, когда солнечный коллектор приводил в движение паровую машину.

Несмотря на относительно низкую плотность лучистой энергии, солнечная энергетика интенсивно развивается в последние годы. В США введены 8 крупных солнечных электростанций модульного типа общей мощностью около 450 МВт, энергия поступает в энергосистемы штатов.

Выпуск солнечных фотоэлектрических преобразователей в мире достиг 300 МВт в год, из них 40% приходится на долю США. В настоящее время в ми­ре работают более 2 млн. гелиоустановок теплоснабжения. Площадь солнечных теплофикационных коллекторов в США составляет 10 млн. м², в Японии 8 млн. м² . Солнечная энергия находит применение в зерносушилках, опреснительных установках, в установках энергоснабжения космических станций и т.д.

ЛИТЕРАТУРА

1. Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций. 2004 г.

2. Агроклиматические ресурсы Ленинградской области. –Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1971. -118 с.

3. Беззубцева М.М., Юлдашев З.Ш. Исследование энергетических характеристик фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии (солнечного элемента) (учебно-методическое пособие) // Международный журнал экспериментального образования. – 2015. – № 5-2. – С. 221-221.

4. Безруких П.П., Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии, Москва, 2005.

5. Беленов А.Т., Метлов Г.Н. Солнечные фотоэлектрические водоподъемники. Под ред. Академика РАСХН Д.С. Стребкова. –М.:ГНУ ВИЭСХ, 2008.-100 с.

6. Германович В. Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы. – СПб.: Наука и техника, 2011. -320 с.

7. Гибилиско С. Альтернативная энергетика без тайн. Перевод с англ. А.В. Соловьева. – М: Эксмо, 2010. -368 с.

8. Голицын М.В., Голицын А.М., Пронина Н.В. Альтернативные энергоносители. Отв. ред. Г.С. Голицын. – М.: Наука, 2004. -159 с.

9. Гордеев А.С., Огородников Д.Д., Юдаев И.В. Энергосбережение в сельском хозяйстве: учебное пособие. – СПб.: Издательство «Лань», 2014. -400 с.

10. ГОСТ Р 54100-2010. Нетрадиционные технологии. Возобновляемые источники энергии. Основные положения. – М.: Стандартинформ, 2011. -8 с.

11. Гусаков В.Г. и др. Энергоэффективность аграрного производства / Нац. акад наук Беларуси, Отд. аграр. наук, Институт экономики, Институт энергетики; под общ. Ред. акад. В.Г. Гусакова, Л.С. Герасимовича. – Минск: Беларус. навука, 2011. -776 с.

12. Елистратов В.В. Использование возобновляемой энергии: учебное пособие. – СПб.: Издательство Политехн. Ун-та, 2009. -224 с.

13. Елистратов В.В., Грилихес В.А., Аронов Е.С. Солнечные энергоустановки. Оценка поступления солнечного излучения: учебное пособие. Под ред. В.В. Елистратова. - СПб.: Изд-во Политехнического института, 2009. -100 с.

14. Беззубцева М.М., Волков В.С. Обеспечение безопасности сельских регионов путем мониторинга энергетических систем и совершенствования технических средств. – СПб.: СПбГАУ, 2009. – 262 с.

15. Кашкаров А.П. Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции. – М.: ДМК Пресс, 2011. – 144 с.

16. Лабейш В.Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие. – СПб.: СЗТУ, 2003. -79 с.

17. Ларин В. Состояние и перспективы применения возобновляемых источников энергии в России. Характеристика возобновляемой энергетики в регионах Российской Федерации: Мурманской области, Ярославской области, Республике Алтай и Алтайском крае. Некоторые рекомендации. – М., 2006. -94 с.

18. Лукутин Б.В. Возобновляемые источники электроэнергии: учебное пособие. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008.-187 с.

19. Лукутин Б.В., Суржикова О.А., Шандарова Е.Б. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении: монография. – М.: Энергоатомиздат, 2008. -231 с.

20. Мишуров Н.П., Кузьмина Т.Н. Автономные источники энергоснабжения малых форм хозяйствования. – М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2010. -116с.

21. Передвижное ветроэнергетическое устройство комбинированного типа. Малый патент Республики Таджикистан №ТJ266. Заявка №0900324. Дата подачи 16.06.2009. Авторы: В.Н. Карпов, З.Ш. Юлдашев и др.

22. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие. -2-е изд., стер. – М.: КНОРУС. -2012. -240 с.–СПб.: Изд-во Политехнического института, 2009. -224 с.

1. Стасинопулос П., Смит М.Х., Харгроувс К., Деша Ч. Проектирование систем как единого целого. Интегральный подход к инжинирингу для устойчивого развития. – М.: Эксмо, 2012. – 288 с.

2. Хахалева Л. В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии : пособие для проведения практических занятий. – Ульяновск, 2008. – 32 с.

3. Эффективные технологии энергообеспечения с использованием возобновляемой энергетики. Перспективные энергосберегающие технологии сельскохозяйственного производства. Инновационные проекты ВИЭСХ. Каталог. Изд. 4-е, переработ. и дополненное. – М.:ГНУ ВИЭСХ, 2010. -168 с.

Код для цитирования: Скопировать