Файл: Разработка автономной солнечной электростанции для питания слаботочных систем освещения.pdf
Добавлен: 22.11.2023
Просмотров: 136
Скачиваний: 8
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
14
Рисунок 1.5 – Фотоэлектрические солнечные панели
1.3
Выводы по первому разделу
Первыми появилась концепция солнечных коллекторов (солнечных термодинамических электростанций), в которых электричество вырабатывает жидкость, нагретая до температуры кипения под сконцентрированными сол- нечными лучами. Однако, не всегда оптимально использовать такой вид пре- образователей.
Солнечные батареи на фотоэлектрических панелях более эффективна.
Это связано с тем, что панели производят электричество непосредственно, то есть прямой трансформацией. С данным способом преобразования теряется значительно меньше энергии, чем при многоступенчатом, как у коллекторов
(концентрация солнечных лучей, нагрев воды и выделение пара для враще- ния паровой турбины, выработка электричества генератором).
Каждый фотоэлектрический элемент состоит из двух кусков полупро- водящего материала, обычно кремния - того же материала, который исполь- зуется в микроэлектронике.
Фотоэлектрические панели не имеют неподвижных частей, надежны, долговечны. С каждым годом их стоимость снижается.
15
Компоненты для солнечной электростанции стоят дорого. Традицион- ная энергетика в Российской федерации имеет низкую стоимость. Это влияет на срок окупаемости электростанции. Для снижения расходов на солнечную энергетику электростанция должна быть надежна, автономна, иметь мини- мально-возможное обслуживание.
Анализ существующих решений преобразования энергии солнца в электричество показывает, что с точки зрения заданной практической значи- мости лучше всего подходят фотоэлектрические солнечные панели. Солнеч- ную электростанция будет создаваться на основе солнечных панелей.
16
2
Выбор компонентной базы для солнечной электростанции
Во втором разделе рассмотрен принцип действия солнечной электро- станции. Так же будет рассмотрен выбор компонентов солнечной электро- станции, основанных на применении фотоэлектрических солнечных панелей.
Из выбранной компонентной базы будет разработана автономная солнечная электростанция.
2.1
Устройство и принцип работы солнечной электростанции
Любая автономная солнечная электростанция на основе фотоэлектри- ческих солнечных панелей (далее солнечная электростанция) содержит ми- нимум 4 блока (рисунок 2.1):
Солнечная панель;
Контроллер заряда аккумуляторной батареи;
Аккумулятор;
Инвертор.
Рассмотрим каждый из этих блоков отдельно.
Рисунок 2.1 – Устройство солнечной электростанции
17
2.1.1 Солнечная панель. Принцип действия
Когда солнечный свет попадает на солнечную батарею (даже в пасмур- ную погоду), фотоэлементы принимают фотоны и превращают их в электри- чество. Иными словами, фотоны выбивают электроны из своих атомов (ри- сунок 2.2) [36-39].
Рисунок 2.2 – Принцип действия солнечной панели
Проводники, прикреплённые к положительному и отрицательному по- люсам ячейки, образуют электрическую цепь. Когда электроны проходят че- рез такую цепь, они генерируют электричество. Несколько ячеек составляют солнечную панель, несколько панелей (модулей) могут быть соединены вме- сте, чтобы сформировать солнечную батарею. Чем больше батарей будет размещено, тем больше энергии можно получить.
Далее металлические проводящие пластины по бокам ячейки собирают электроны и переносят их на проводники. Происходит генерация постоянно- го напряжения.
Фотоэффект в солнечной панели возникает только при попадании на ее поверхность фотонов. На улице источником фотонов является солнце. Ночью
КПД любых солнечных панелей стремится к нулю. В утренние и вечерние часы, в облачную погоду эффективность монокристаллических солнечных панелей очень низка. Поликристаллические панели незначительно снижают
18 выходную мощность, т.к. они хорошо поглощают даже рассеянные лучи солнца. Для ультрафиолетового излучения облака не являются преградой.
Максимальная активность солнца наблюдается днем. В этот период времени солнечная панель генерирует максимум энергии. Наибольшее по- требление электричества на освещения наблюдается утром и вечером, т.е. в темное время суток. В дневное время суток освещение может не потребо- ваться.
Видно несоответствие между интервалами выработки максимума элек- трической энергии солнечными панелями и интервалами максимального по- требления электричества.
Солнечная батарея состоит из фотоэлементов. Рабочую поверхность солнечных панелей необходимо периодически очищать от пыли и мусора.
Солнечные панели проблематично использовать в регионах, где часто выпа- дают осадки, особенно снег. Снег необходимо убирать с рабочей поверхно- сти, т.к. он сильно мешает работе солнечной панели. Затемнение фотоэле- мента приводит к снижению разности потенциалов на выходе панели. Это объясняется потерями на неосвещенном элементе, который становится пара- зитной нагрузкой. Данную проблему можно решить установкой байпаса для каждого фотоэлемента.
Эффективность работы солнечной батареи снижается при увеличении ее температуры. Это связано со структурой фотоэлементов. В солнечный день обратная сторона панелей может нагреваться до 100 0
С, поэтому появ- ляется дополнительная задача в охлаждении солнечных панелей [41].
Неблагоприятные погодные условия могут вывести из строя солнеч- ную панель. В этом случае могут потребоваться дополнительные затраты на защиту панелей от града или сильного ветра. Солнечные панели большой мощности имеют большие габариты, т.е. высокую парусность. Порыв ветра легко сломает такую панель, если она будет без дополнительной защиты.
Снег в зимнее время года мешает активному развитию солнечной энер- гетики. От снега необходимо очищать солнечные панели. Минусовая темпе-
19 ратура зимой снижает характеристики панелей электричества. Однако, акку- муляторы можно хранить в тепле.
Зимой наблюдается высокий коэффициент отражения снега. Значение альбедо может достигать 85%. Отраженный свет, попадая на солнечные па- нели, увеличивает количество получаемой электроэнергии.
Для решения проблем со снегом можно использовать статичные сол- нечные панели, расположенные вертикально. Снег зимой на вертикальных панелях не будет скапливаться. В результате снизится количество времени, требуемое на обслуживание панелей – чистка от снега.
При вертикальном расположении солнечные панели будут преобразо- вывать падающие и отраженные (рассеянный свет) от снега солнечные лучи.
Панели нужно направить на южную сторону.
2.1.2 Типы солнечных панелей
Солнечная панель представляет собою несколько фотоэлементов, вы- полненных из полупроводников. Данные фотоэлементы соединяются в цепь.
В полупроводниках происходит прямое преобразование солнечной энергии в электричество.
Кремниевые солнечные панели - самые популярные. Это легко объяс- нить тем, что кремний широко распространен в земной коре. Он имеет низ- кую себестоимость и высокие показатели производительности, в сравнении с другими видами солнечных панелей [4].
Рассмотрим подробнее каждый из видов фотоэлементов (рисунок 2.3).
20
Рисунок 2.3 – Типы солнечных панелей
2.1.2.1 Монокристаллические фотоэлементы
Данный тип солнечных панелей является наиболее распространенным и наиболее эффективным типом. Монокристаллы делают по методу Чохраль- ского. Для этого нужен высокоочищенный кремний. После того, как моно- кристалл затвердевает, его нарезают на квадраты или «пластины», образую- щие солнечную панель. В результате получается высококачественный кри- сталл, похожий на те, которые используются в компьютерных чипах. Термин
«моно» означает, что все нарезаемые панели являются практически идентич- ными, именно это делает монокристаллические кремниевые солнечные пане- ли такими эффективными.
Обычно монокристаллические панели не являются идеально квадрат- ными, поскольку имеют срезанные углы. Эта техника помогает потоку энер- гии, проходящему по сетке из электродов, быть еще более эффективным.
Электроны движутся через панель быстрее, если острота углов каждого эле- мента была уменьшена.
Несомненно, монокристаллические кремниевые солнечные панели яв- ляются высокоэффективными, но их эффективность сводится к цене. Как правило, это самый дорогой тип солнечных батарей на рынке. КПД данных
Солнечные панели
Кремниевые
Плёночные
На основе теллурида кадмия
На основе селенида меди-индия
Полимерные
Поликристалличе- ские
Монокристалличе- ские
Аморфные
21 батарей достигает 20/%. Для получения отличных характеристик панель необходимо направлять перпендикулярно лучам солнца.
2.1.2.2 Поликристаллические фотоэлементы
Поликристаллы создают из кремния, имеющего худшую степенью очистки. Так же их можно создавать и из вторсырья. При этом на создание поликристаллов нужно меньше энергии. В результате поликристаллические пластины стоят дешевле монокристаллических.
Для получения поликристалла, кремниевую субстанцию медленно охлаждают. При изготовлении данного типа панелей затрачивается меньшее количество энергии, чем при монокристаллических, однако их эффектив- ность ниже. Эти солнечные элементы имеют квадратную форму. Относи- тельно низкая эффективность объясняется тем, что электроны оказываются в ловушке между кристаллами, в отличие от монокристаллических ячеек, в ко- торых зёрна кристаллов расположены параллельно. Из-за этого солнечные панели из поликристаллического кремния дешевле, но они все еще могут производить достаточное количество энергии.
Такие солнечные панели могут работать при пасмурной погоде и от рассеянного света.
2.1.2.3 Аморфные фотоэлементы
Этот тип можно отнести и к кремниевым панелям, поскольку кремний является материалом изготовления, и к плёночным, потому что они изготов- лены по принципу их производства. Поскольку выходная электрическая мощность низкая, солнечные элементы на основе аморфного кремния обычно используются только для небольших устройств, таких как карманные каль- куляторы.
2.1.2.4 На основе теллурида кадмия
Кадмий является материалом с очень высоким показателем светопо- глощения. Теллурид кадмия является единственной технологией плёночных
22 солнечных панелей, которая экономически превзошла эффективность поли- кристаллических и монокристаллических солнечных панелей на значитель- ной части рынка. Эффективность панелей на основе кадмия обычно находит- ся в диапазоне 9-11%.
2.1.2.5 На основе селенида меди-индия
По сравнению с другими плёночными технологиями, описанными вы- ше, описываемые солнечные элементы показали наибольший потенциал с точки зрения эффективности. Ко всему прочему, эти солнечные элементы содержат меньшее количество токсичного материала кадмия, который сполна содержится в теллурид-кадмиевых солнечных элементах. Показатели эффек- тивности для этих солнечных панелей обычно работают в диапазоне 20-21%.
2.1.2.6 На основе полимеров
В качестве светопоглощающих материалов используются полупровод- ники - полифенилен, фуреллены, фталоцианин меди. КПД полимерных сол- нечных батарей равно около 5-6%. Главное достоинство – дешевая стоимость производства. Такие панели доступны по цене, они не оказывают вредного воздействия на окружающую среду. Основное направление их использования
– объекты, необходима механическая эластичность и возможность утилиза- ции без причинения вреда экологии.
2.1.2.7 Обобщение данных о фотоэлектрических панелях
С каждым годом КПД солнечных батарей растет. Себестоимость – снижается. Помимо самой технологии производства на характеристики сол- нечных панелей оказывают влияние и другие факторы.
При увеличении температуры окружающей среды, нагреваются сол- нечные панели. В результате их КПД снижается. Если часть рабочей панели затемнить, то это приведет к появлению паразитной нагрузки. Неосвещенные части панели начинают потреблять энергию. Это приводит к снижению вы-
23 ходного напряжения. От таких проблем можно избавиться, если подключить байпас к каждому блоку солнечной панели.
Солнечные панели имеют гарантированный срок службы при потери номинальной мощности до 10% - 10 лет. С потерей мощности до 80% - 20-25 лет. В целом, солнечные панели можно эксплуатировать 35 лет.
Сравнение всех видов солнечных панелей сведем в таблицу 2.1.
Таблица 2.1 – Сравнение видов солнечных панелей
Тип солнечных
панелей
Возможный
уровень эф-
фективности
(КПД)
Плюсы
Минусы
Монокристалличе- ские
20%
Высокая эффек- тивность; оптими- зированность для коммерческого использования; высокая продол- жительность жиз- ни
Высокая стои- мость
Необходимо направлять пер- пендикулярно солнцу
Поликристалличе- ские
15%
Низкая цена
Работают в пас- мурную погоду, преобразуют и рассеянный свет.
Чувствительность к высоким темпе- ратурам; низкая продолжитель- ность жизни и плохая эффек- тивность про- странства
24
Продолжение таблицы 2.1
Аморфные
7%
Относительно низкая сто- имость; простые в произ- водстве
Короткие гарантии и про- должительность жизни
Теллурид кадмия
11%
Один из дешевых вариан- тов стоимости электро- энергии на 1 кВт.
Высокое загрязнение окружающей среди из-за присутствия токсичного материала – кадмия.
Низкий КПД
Селенид ме- ди-индия
17% КПД может составлять до
20%. Отсутствует высокое загрязнение окружающей среди из-за отсутствия токсичного материала - кадмия
Дорогие.
Полимерные 6% Низкая стоимость, до- ступность, экологичность.
Панели эластичны. Тол- щина пленки около 100 нм.
Низкий КПД.
2.1.3 Категории фотоэлектрических солнечных панелей
Все фотоэлементы делятся на несколько категорий:
1. Класс A. При их создании используется самый чистый кремний, следовательно, они имеют самое высокое качество. Панели класса A не име- ют видимых дефектов. При близком осмотре данный класс может иметь не- большой изгиб (2 миллиметра или менее), или очень лёгкое отклонение цвета от основного.
25 2. Класс B. Панели класса B могут иметь дефекты, которые видны не- вооруженным глазом. Допустимые дефекты: изгиб панели (2-2,5 мм), откло- нение цвета, царапины длиной до 50 мм. Эти панели имеют тот же выходной ток, что и панели класса A.
3. Класс C. К нему относятся фотоэлементы, имеющие недостаток, ко- торый влияет на выходную мощность, поэтому она ниже, чем у ячеек класса
A и B, однако цена этого класса самая низкая. Данные ячейки могут быть ча- стично сломаны, но могут быть разрезаны и использованы в качестве пане- лей меньшего размера.
4. Класс D. Ячейки этого класса, в отличие от предыдущего, сломаны настолько сильно, что не могут быть разрезаны на более мелкие части.
Для применения в проекте предлагается использовать солнечные пане- ли класса А или В.
2.1.4 Климатические и географические условия применения
Уровень инсоляции или облучения показывает количество энергии, попавшей на поверхность земли на единицу поверхности за единицу време- ни. На рисунке 2.4 показана карта уровней инсоляции в различных местах
Европы и Азии. Уровень инсоляции зависит от географической широты, от высоты солнца над горизонтом, от угла наклона и ориентации поверхности земли. Чем выше уровень инсоляции, тем больше электрической энергии можно получить с одного квадратного метра земли. В России из-за большой протяженности страны уровень инсоляции колеблется от 800 до 1400 кВт*ч/м
2
в год [19, 29].
Примем расположение солнечной электростанции в г. Тольятти, Са- марской области. Тольятти находится в средней полосе Российской Федера- ции [17,31].
Солнечные панели, а также аккумуляторные батареи меняют свои ха- рактеристики при смене температуры окружающей среды. Выполним анализ
26 инсоляции и температуры в г. Тольятти. В результате сделаем вывод: воз- можно ли применение солнечных панелей в этой местности.
Рисунок 2.4 – Карта инсоляции
Климат в г. Тольятти – континентальный. Летом жарко, зимой холодно.
Благодаря наличию ГЭС имени Ленина, климат более мягок на расстоянии до
3 километров от Куйбышевского водохранилища. Город Тольятти состоит из
3 районов: Комсомольский, Центральный и Автозаводский районы. Каждый район находится отдельно друг от друга. Районы разделены лесом. Рельеф г.
Тольятти не оказывает значительное влияние на микроклимат [17,18].
В январе средняя температура составляет «−10.6°C». В июле –
«+20.9°C». Абсолютный максимум был в 2010 году – «+40.5°C». Абсолют- ный минимум «−43.4°C» наблюдался в январе 1979 г. Среднегодовая темпе- ратура – «+5.1°C». За городом температура обычно отличается на 1.2°C -
4,5°C.
В холодное время года выпадает – 160 мм осадков. Общее среднее ко- личество - 493 мм/год. В 1965 и в 1966 г.г. количество осадков составляло
355 мм и 615 мм соответственно. Так же бывают засухи.
27
Солнечных дней в среднем в г. Тольятти - 285. Это около 2113 часов для возможности выработки электроэнергии из энергии солнца.
С помощью программы Pvsyst можно получить требуемые характери- стики для дальнейшего использования солнечных панелей. Эта программа содержит информацию о движении солнца для нужных координат, наличие облаков, альбедо и прочее [18,31,42-43].
Для Самарской области, находящейся в средней полосе России, график солнечной инсоляции изображен на рисунке 2.5. Данный график описывает среднемесячную выработку энергии солнечными панелями, направленными на Юг. При условии, если их установить под углом 38 0
Рисунок 2.5 – График годовой выработки энергии, когда солнечная па- нель направлена на Юг под углом 38 0
Анализ возможных наклонов панели показал, что именно угол 30 0
поз- воляет получить максимум энергии из солнечной панели. Если солнце будет
28 падать прямо перпендикулярно на солнечную панель, то для идеальных условий летом количество сгенерированной электроэнергии увеличится. Од- нако, для зимних месяцев выработка энергии резко спадает. Это связано с тем, что солнце не поднимается высоко. Чтобы сбалансировать генерацию энергии панелями можно либо перестраивать наклон солнечных панелей весной и осенью, либо наклонить их под углом. В этом случае уменьшится разность вырабатываемых минимум и максимумов.
2.1.5 Альбедо поверхности Земли
Большая часть солнечных панелей может преобразовывать энергию солнца, не только непосредственно упавшего на панель, но и отраженную часть. Иными словами, солнечные панели могут работать от прямого и диф- фузного излучения.
Коэффициентом альбедо называют способность поверхности отражать солнечный свет. Число выражается в безразмерной величине и может прини- мать значение от 0 до 1. Альбедо нужно учитывать, если солнечные панели имеют наклон относительно земли больше 0 0
. Для угла наклона, равного 0 0
коэффициент Альбедо близок к нулю. По формуле 2.1 можно найти величину альбедо:
–
(2.1) где α – угол наклона плоскости относительно горизонтали.
В таблице 2.2. приведены типовые значения коэффициента альбедо для поверхностей.
Дополнительной причиной установки солнечных панелей под углом к поверхности – использование рассеянного света зимой. Зимой все покрыто снегом, значит высока степень диффузного света. Согласно таблице 2.2 зи- мой свет, отразившийся от снега, имеет коэффициент альбедо от 0,5 до 0,9.
29
Таблица 2.2. – Типовые значения коэффициента альбедо для поверхностей
Тип поверхности
Коэффициент альбедо
Асфальт
0,12
Зелёная трава
0,25
Песок
0,40
Поверхность земли
0,17
Только что выпавший снег
0,80 – 0,90
Хвойный лес
0,09 – 0,15
Лиственный лес
0,15 – 0,18
Тающий снег
0,5 – 0,7
Вода
0,10
После создания модели установки вертикальных солнечных панелей в программе Pvsyst получим среднегодовой график возможной генерации сол- нечной энергии с помощью солнечных панелей (рис. 2.6).
Видно, что у графика минимумы и максимумы уменьшились. Разница не более чем в 3 раза. У изначального графика (рис.2.5) разница была более чем в 5 раз. Из графика (рис.2.6.) видно, что рассеянный свет может дости- гать 50% от прямого падающего света.
30
Рисунок 2.6 – Средний график генерации электричества солнечными панелями с учетом коэффициента альбедо
1 2 3 4 5 6
2.1
Устройство и принцип работы солнечной электростанции
Любая автономная солнечная электростанция на основе фотоэлектри- ческих солнечных панелей (далее солнечная электростанция) содержит ми- нимум 4 блока (рисунок 2.1):
Солнечная панель;
Контроллер заряда аккумуляторной батареи;
Аккумулятор;
Инвертор.
Рассмотрим каждый из этих блоков отдельно.
Рисунок 2.1 – Устройство солнечной электростанции
17
2.1.1 Солнечная панель. Принцип действия
Когда солнечный свет попадает на солнечную батарею (даже в пасмур- ную погоду), фотоэлементы принимают фотоны и превращают их в электри- чество. Иными словами, фотоны выбивают электроны из своих атомов (ри- сунок 2.2) [36-39].
Рисунок 2.2 – Принцип действия солнечной панели
Проводники, прикреплённые к положительному и отрицательному по- люсам ячейки, образуют электрическую цепь. Когда электроны проходят че- рез такую цепь, они генерируют электричество. Несколько ячеек составляют солнечную панель, несколько панелей (модулей) могут быть соединены вме- сте, чтобы сформировать солнечную батарею. Чем больше батарей будет размещено, тем больше энергии можно получить.
Далее металлические проводящие пластины по бокам ячейки собирают электроны и переносят их на проводники. Происходит генерация постоянно- го напряжения.
Фотоэффект в солнечной панели возникает только при попадании на ее поверхность фотонов. На улице источником фотонов является солнце. Ночью
КПД любых солнечных панелей стремится к нулю. В утренние и вечерние часы, в облачную погоду эффективность монокристаллических солнечных панелей очень низка. Поликристаллические панели незначительно снижают
18 выходную мощность, т.к. они хорошо поглощают даже рассеянные лучи солнца. Для ультрафиолетового излучения облака не являются преградой.
Максимальная активность солнца наблюдается днем. В этот период времени солнечная панель генерирует максимум энергии. Наибольшее по- требление электричества на освещения наблюдается утром и вечером, т.е. в темное время суток. В дневное время суток освещение может не потребо- ваться.
Видно несоответствие между интервалами выработки максимума элек- трической энергии солнечными панелями и интервалами максимального по- требления электричества.
Солнечная батарея состоит из фотоэлементов. Рабочую поверхность солнечных панелей необходимо периодически очищать от пыли и мусора.
Солнечные панели проблематично использовать в регионах, где часто выпа- дают осадки, особенно снег. Снег необходимо убирать с рабочей поверхно- сти, т.к. он сильно мешает работе солнечной панели. Затемнение фотоэле- мента приводит к снижению разности потенциалов на выходе панели. Это объясняется потерями на неосвещенном элементе, который становится пара- зитной нагрузкой. Данную проблему можно решить установкой байпаса для каждого фотоэлемента.
Эффективность работы солнечной батареи снижается при увеличении ее температуры. Это связано со структурой фотоэлементов. В солнечный день обратная сторона панелей может нагреваться до 100 0
С, поэтому появ- ляется дополнительная задача в охлаждении солнечных панелей [41].
Неблагоприятные погодные условия могут вывести из строя солнеч- ную панель. В этом случае могут потребоваться дополнительные затраты на защиту панелей от града или сильного ветра. Солнечные панели большой мощности имеют большие габариты, т.е. высокую парусность. Порыв ветра легко сломает такую панель, если она будет без дополнительной защиты.
Снег в зимнее время года мешает активному развитию солнечной энер- гетики. От снега необходимо очищать солнечные панели. Минусовая темпе-
19 ратура зимой снижает характеристики панелей электричества. Однако, акку- муляторы можно хранить в тепле.
Зимой наблюдается высокий коэффициент отражения снега. Значение альбедо может достигать 85%. Отраженный свет, попадая на солнечные па- нели, увеличивает количество получаемой электроэнергии.
Для решения проблем со снегом можно использовать статичные сол- нечные панели, расположенные вертикально. Снег зимой на вертикальных панелях не будет скапливаться. В результате снизится количество времени, требуемое на обслуживание панелей – чистка от снега.
При вертикальном расположении солнечные панели будут преобразо- вывать падающие и отраженные (рассеянный свет) от снега солнечные лучи.
Панели нужно направить на южную сторону.
2.1.2 Типы солнечных панелей
Солнечная панель представляет собою несколько фотоэлементов, вы- полненных из полупроводников. Данные фотоэлементы соединяются в цепь.
В полупроводниках происходит прямое преобразование солнечной энергии в электричество.
Кремниевые солнечные панели - самые популярные. Это легко объяс- нить тем, что кремний широко распространен в земной коре. Он имеет низ- кую себестоимость и высокие показатели производительности, в сравнении с другими видами солнечных панелей [4].
Рассмотрим подробнее каждый из видов фотоэлементов (рисунок 2.3).
20
Рисунок 2.3 – Типы солнечных панелей
2.1.2.1 Монокристаллические фотоэлементы
Данный тип солнечных панелей является наиболее распространенным и наиболее эффективным типом. Монокристаллы делают по методу Чохраль- ского. Для этого нужен высокоочищенный кремний. После того, как моно- кристалл затвердевает, его нарезают на квадраты или «пластины», образую- щие солнечную панель. В результате получается высококачественный кри- сталл, похожий на те, которые используются в компьютерных чипах. Термин
«моно» означает, что все нарезаемые панели являются практически идентич- ными, именно это делает монокристаллические кремниевые солнечные пане- ли такими эффективными.
Обычно монокристаллические панели не являются идеально квадрат- ными, поскольку имеют срезанные углы. Эта техника помогает потоку энер- гии, проходящему по сетке из электродов, быть еще более эффективным.
Электроны движутся через панель быстрее, если острота углов каждого эле- мента была уменьшена.
Несомненно, монокристаллические кремниевые солнечные панели яв- ляются высокоэффективными, но их эффективность сводится к цене. Как правило, это самый дорогой тип солнечных батарей на рынке. КПД данных
Солнечные панели
Кремниевые
Плёночные
На основе теллурида кадмия
На основе селенида меди-индия
Полимерные
Поликристалличе- ские
Монокристалличе- ские
Аморфные
21 батарей достигает 20/%. Для получения отличных характеристик панель необходимо направлять перпендикулярно лучам солнца.
2.1.2.2 Поликристаллические фотоэлементы
Поликристаллы создают из кремния, имеющего худшую степенью очистки. Так же их можно создавать и из вторсырья. При этом на создание поликристаллов нужно меньше энергии. В результате поликристаллические пластины стоят дешевле монокристаллических.
Для получения поликристалла, кремниевую субстанцию медленно охлаждают. При изготовлении данного типа панелей затрачивается меньшее количество энергии, чем при монокристаллических, однако их эффектив- ность ниже. Эти солнечные элементы имеют квадратную форму. Относи- тельно низкая эффективность объясняется тем, что электроны оказываются в ловушке между кристаллами, в отличие от монокристаллических ячеек, в ко- торых зёрна кристаллов расположены параллельно. Из-за этого солнечные панели из поликристаллического кремния дешевле, но они все еще могут производить достаточное количество энергии.
Такие солнечные панели могут работать при пасмурной погоде и от рассеянного света.
2.1.2.3 Аморфные фотоэлементы
Этот тип можно отнести и к кремниевым панелям, поскольку кремний является материалом изготовления, и к плёночным, потому что они изготов- лены по принципу их производства. Поскольку выходная электрическая мощность низкая, солнечные элементы на основе аморфного кремния обычно используются только для небольших устройств, таких как карманные каль- куляторы.
2.1.2.4 На основе теллурида кадмия
Кадмий является материалом с очень высоким показателем светопо- глощения. Теллурид кадмия является единственной технологией плёночных
22 солнечных панелей, которая экономически превзошла эффективность поли- кристаллических и монокристаллических солнечных панелей на значитель- ной части рынка. Эффективность панелей на основе кадмия обычно находит- ся в диапазоне 9-11%.
2.1.2.5 На основе селенида меди-индия
По сравнению с другими плёночными технологиями, описанными вы- ше, описываемые солнечные элементы показали наибольший потенциал с точки зрения эффективности. Ко всему прочему, эти солнечные элементы содержат меньшее количество токсичного материала кадмия, который сполна содержится в теллурид-кадмиевых солнечных элементах. Показатели эффек- тивности для этих солнечных панелей обычно работают в диапазоне 20-21%.
2.1.2.6 На основе полимеров
В качестве светопоглощающих материалов используются полупровод- ники - полифенилен, фуреллены, фталоцианин меди. КПД полимерных сол- нечных батарей равно около 5-6%. Главное достоинство – дешевая стоимость производства. Такие панели доступны по цене, они не оказывают вредного воздействия на окружающую среду. Основное направление их использования
– объекты, необходима механическая эластичность и возможность утилиза- ции без причинения вреда экологии.
2.1.2.7 Обобщение данных о фотоэлектрических панелях
С каждым годом КПД солнечных батарей растет. Себестоимость – снижается. Помимо самой технологии производства на характеристики сол- нечных панелей оказывают влияние и другие факторы.
При увеличении температуры окружающей среды, нагреваются сол- нечные панели. В результате их КПД снижается. Если часть рабочей панели затемнить, то это приведет к появлению паразитной нагрузки. Неосвещенные части панели начинают потреблять энергию. Это приводит к снижению вы-
23 ходного напряжения. От таких проблем можно избавиться, если подключить байпас к каждому блоку солнечной панели.
Солнечные панели имеют гарантированный срок службы при потери номинальной мощности до 10% - 10 лет. С потерей мощности до 80% - 20-25 лет. В целом, солнечные панели можно эксплуатировать 35 лет.
Сравнение всех видов солнечных панелей сведем в таблицу 2.1.
Таблица 2.1 – Сравнение видов солнечных панелей
Тип солнечных
панелей
Возможный
уровень эф-
фективности
(КПД)
Плюсы
Минусы
Монокристалличе- ские
20%
Высокая эффек- тивность; оптими- зированность для коммерческого использования; высокая продол- жительность жиз- ни
Высокая стои- мость
Необходимо направлять пер- пендикулярно солнцу
Поликристалличе- ские
15%
Низкая цена
Работают в пас- мурную погоду, преобразуют и рассеянный свет.
Чувствительность к высоким темпе- ратурам; низкая продолжитель- ность жизни и плохая эффек- тивность про- странства
24
Продолжение таблицы 2.1
Аморфные
7%
Относительно низкая сто- имость; простые в произ- водстве
Короткие гарантии и про- должительность жизни
Теллурид кадмия
11%
Один из дешевых вариан- тов стоимости электро- энергии на 1 кВт.
Высокое загрязнение окружающей среди из-за присутствия токсичного материала – кадмия.
Низкий КПД
Селенид ме- ди-индия
17% КПД может составлять до
20%. Отсутствует высокое загрязнение окружающей среди из-за отсутствия токсичного материала - кадмия
Дорогие.
Полимерные 6% Низкая стоимость, до- ступность, экологичность.
Панели эластичны. Тол- щина пленки около 100 нм.
Низкий КПД.
2.1.3 Категории фотоэлектрических солнечных панелей
Все фотоэлементы делятся на несколько категорий:
1. Класс A. При их создании используется самый чистый кремний, следовательно, они имеют самое высокое качество. Панели класса A не име- ют видимых дефектов. При близком осмотре данный класс может иметь не- большой изгиб (2 миллиметра или менее), или очень лёгкое отклонение цвета от основного.
25 2. Класс B. Панели класса B могут иметь дефекты, которые видны не- вооруженным глазом. Допустимые дефекты: изгиб панели (2-2,5 мм), откло- нение цвета, царапины длиной до 50 мм. Эти панели имеют тот же выходной ток, что и панели класса A.
3. Класс C. К нему относятся фотоэлементы, имеющие недостаток, ко- торый влияет на выходную мощность, поэтому она ниже, чем у ячеек класса
A и B, однако цена этого класса самая низкая. Данные ячейки могут быть ча- стично сломаны, но могут быть разрезаны и использованы в качестве пане- лей меньшего размера.
4. Класс D. Ячейки этого класса, в отличие от предыдущего, сломаны настолько сильно, что не могут быть разрезаны на более мелкие части.
Для применения в проекте предлагается использовать солнечные пане- ли класса А или В.
2.1.4 Климатические и географические условия применения
Уровень инсоляции или облучения показывает количество энергии, попавшей на поверхность земли на единицу поверхности за единицу време- ни. На рисунке 2.4 показана карта уровней инсоляции в различных местах
Европы и Азии. Уровень инсоляции зависит от географической широты, от высоты солнца над горизонтом, от угла наклона и ориентации поверхности земли. Чем выше уровень инсоляции, тем больше электрической энергии можно получить с одного квадратного метра земли. В России из-за большой протяженности страны уровень инсоляции колеблется от 800 до 1400 кВт*ч/м
2
в год [19, 29].
Примем расположение солнечной электростанции в г. Тольятти, Са- марской области. Тольятти находится в средней полосе Российской Федера- ции [17,31].
Солнечные панели, а также аккумуляторные батареи меняют свои ха- рактеристики при смене температуры окружающей среды. Выполним анализ
26 инсоляции и температуры в г. Тольятти. В результате сделаем вывод: воз- можно ли применение солнечных панелей в этой местности.
Рисунок 2.4 – Карта инсоляции
Климат в г. Тольятти – континентальный. Летом жарко, зимой холодно.
Благодаря наличию ГЭС имени Ленина, климат более мягок на расстоянии до
3 километров от Куйбышевского водохранилища. Город Тольятти состоит из
3 районов: Комсомольский, Центральный и Автозаводский районы. Каждый район находится отдельно друг от друга. Районы разделены лесом. Рельеф г.
Тольятти не оказывает значительное влияние на микроклимат [17,18].
В январе средняя температура составляет «−10.6°C». В июле –
«+20.9°C». Абсолютный максимум был в 2010 году – «+40.5°C». Абсолют- ный минимум «−43.4°C» наблюдался в январе 1979 г. Среднегодовая темпе- ратура – «+5.1°C». За городом температура обычно отличается на 1.2°C -
4,5°C.
В холодное время года выпадает – 160 мм осадков. Общее среднее ко- личество - 493 мм/год. В 1965 и в 1966 г.г. количество осадков составляло
355 мм и 615 мм соответственно. Так же бывают засухи.
27
Солнечных дней в среднем в г. Тольятти - 285. Это около 2113 часов для возможности выработки электроэнергии из энергии солнца.
С помощью программы Pvsyst можно получить требуемые характери- стики для дальнейшего использования солнечных панелей. Эта программа содержит информацию о движении солнца для нужных координат, наличие облаков, альбедо и прочее [18,31,42-43].
Для Самарской области, находящейся в средней полосе России, график солнечной инсоляции изображен на рисунке 2.5. Данный график описывает среднемесячную выработку энергии солнечными панелями, направленными на Юг. При условии, если их установить под углом 38 0
Рисунок 2.5 – График годовой выработки энергии, когда солнечная па- нель направлена на Юг под углом 38 0
Анализ возможных наклонов панели показал, что именно угол 30 0
поз- воляет получить максимум энергии из солнечной панели. Если солнце будет
28 падать прямо перпендикулярно на солнечную панель, то для идеальных условий летом количество сгенерированной электроэнергии увеличится. Од- нако, для зимних месяцев выработка энергии резко спадает. Это связано с тем, что солнце не поднимается высоко. Чтобы сбалансировать генерацию энергии панелями можно либо перестраивать наклон солнечных панелей весной и осенью, либо наклонить их под углом. В этом случае уменьшится разность вырабатываемых минимум и максимумов.
2.1.5 Альбедо поверхности Земли
Большая часть солнечных панелей может преобразовывать энергию солнца, не только непосредственно упавшего на панель, но и отраженную часть. Иными словами, солнечные панели могут работать от прямого и диф- фузного излучения.
Коэффициентом альбедо называют способность поверхности отражать солнечный свет. Число выражается в безразмерной величине и может прини- мать значение от 0 до 1. Альбедо нужно учитывать, если солнечные панели имеют наклон относительно земли больше 0 0
. Для угла наклона, равного 0 0
коэффициент Альбедо близок к нулю. По формуле 2.1 можно найти величину альбедо:
–
(2.1) где α – угол наклона плоскости относительно горизонтали.
В таблице 2.2. приведены типовые значения коэффициента альбедо для поверхностей.
Дополнительной причиной установки солнечных панелей под углом к поверхности – использование рассеянного света зимой. Зимой все покрыто снегом, значит высока степень диффузного света. Согласно таблице 2.2 зи- мой свет, отразившийся от снега, имеет коэффициент альбедо от 0,5 до 0,9.
29
Таблица 2.2. – Типовые значения коэффициента альбедо для поверхностей
Тип поверхности
Коэффициент альбедо
Асфальт
0,12
Зелёная трава
0,25
Песок
0,40
Поверхность земли
0,17
Только что выпавший снег
0,80 – 0,90
Хвойный лес
0,09 – 0,15
Лиственный лес
0,15 – 0,18
Тающий снег
0,5 – 0,7
Вода
0,10
После создания модели установки вертикальных солнечных панелей в программе Pvsyst получим среднегодовой график возможной генерации сол- нечной энергии с помощью солнечных панелей (рис. 2.6).
Видно, что у графика минимумы и максимумы уменьшились. Разница не более чем в 3 раза. У изначального графика (рис.2.5) разница была более чем в 5 раз. Из графика (рис.2.6.) видно, что рассеянный свет может дости- гать 50% от прямого падающего света.
30
Рисунок 2.6 – Средний график генерации электричества солнечными панелями с учетом коэффициента альбедо
1 2 3 4 5 6
2.1
Устройство и принцип работы солнечной электростанции
Любая автономная солнечная электростанция на основе фотоэлектри- ческих солнечных панелей (далее солнечная электростанция) содержит ми- нимум 4 блока (рисунок 2.1):
Солнечная панель;
Контроллер заряда аккумуляторной батареи;
Аккумулятор;
Инвертор.
Рассмотрим каждый из этих блоков отдельно.
Рисунок 2.1 – Устройство солнечной электростанции
17
2.1.1 Солнечная панель. Принцип действия
Когда солнечный свет попадает на солнечную батарею (даже в пасмур- ную погоду), фотоэлементы принимают фотоны и превращают их в электри- чество. Иными словами, фотоны выбивают электроны из своих атомов (ри- сунок 2.2) [36-39].
Рисунок 2.2 – Принцип действия солнечной панели
Проводники, прикреплённые к положительному и отрицательному по- люсам ячейки, образуют электрическую цепь. Когда электроны проходят че- рез такую цепь, они генерируют электричество. Несколько ячеек составляют солнечную панель, несколько панелей (модулей) могут быть соединены вме- сте, чтобы сформировать солнечную батарею. Чем больше батарей будет размещено, тем больше энергии можно получить.
Далее металлические проводящие пластины по бокам ячейки собирают электроны и переносят их на проводники. Происходит генерация постоянно- го напряжения.
Фотоэффект в солнечной панели возникает только при попадании на ее поверхность фотонов. На улице источником фотонов является солнце. Ночью
КПД любых солнечных панелей стремится к нулю. В утренние и вечерние часы, в облачную погоду эффективность монокристаллических солнечных панелей очень низка. Поликристаллические панели незначительно снижают
18 выходную мощность, т.к. они хорошо поглощают даже рассеянные лучи солнца. Для ультрафиолетового излучения облака не являются преградой.
Максимальная активность солнца наблюдается днем. В этот период времени солнечная панель генерирует максимум энергии. Наибольшее по- требление электричества на освещения наблюдается утром и вечером, т.е. в темное время суток. В дневное время суток освещение может не потребо- ваться.
Видно несоответствие между интервалами выработки максимума элек- трической энергии солнечными панелями и интервалами максимального по- требления электричества.
Солнечная батарея состоит из фотоэлементов. Рабочую поверхность солнечных панелей необходимо периодически очищать от пыли и мусора.
Солнечные панели проблематично использовать в регионах, где часто выпа- дают осадки, особенно снег. Снег необходимо убирать с рабочей поверхно- сти, т.к. он сильно мешает работе солнечной панели. Затемнение фотоэле- мента приводит к снижению разности потенциалов на выходе панели. Это объясняется потерями на неосвещенном элементе, который становится пара- зитной нагрузкой. Данную проблему можно решить установкой байпаса для каждого фотоэлемента.
Эффективность работы солнечной батареи снижается при увеличении ее температуры. Это связано со структурой фотоэлементов. В солнечный день обратная сторона панелей может нагреваться до 100 0
С, поэтому появ- ляется дополнительная задача в охлаждении солнечных панелей [41].
Неблагоприятные погодные условия могут вывести из строя солнеч- ную панель. В этом случае могут потребоваться дополнительные затраты на защиту панелей от града или сильного ветра. Солнечные панели большой мощности имеют большие габариты, т.е. высокую парусность. Порыв ветра легко сломает такую панель, если она будет без дополнительной защиты.
Снег в зимнее время года мешает активному развитию солнечной энер- гетики. От снега необходимо очищать солнечные панели. Минусовая темпе-
19 ратура зимой снижает характеристики панелей электричества. Однако, акку- муляторы можно хранить в тепле.
Зимой наблюдается высокий коэффициент отражения снега. Значение альбедо может достигать 85%. Отраженный свет, попадая на солнечные па- нели, увеличивает количество получаемой электроэнергии.
Для решения проблем со снегом можно использовать статичные сол- нечные панели, расположенные вертикально. Снег зимой на вертикальных панелях не будет скапливаться. В результате снизится количество времени, требуемое на обслуживание панелей – чистка от снега.
При вертикальном расположении солнечные панели будут преобразо- вывать падающие и отраженные (рассеянный свет) от снега солнечные лучи.
Панели нужно направить на южную сторону.
2.1.2 Типы солнечных панелей
Солнечная панель представляет собою несколько фотоэлементов, вы- полненных из полупроводников. Данные фотоэлементы соединяются в цепь.
В полупроводниках происходит прямое преобразование солнечной энергии в электричество.
Кремниевые солнечные панели - самые популярные. Это легко объяс- нить тем, что кремний широко распространен в земной коре. Он имеет низ- кую себестоимость и высокие показатели производительности, в сравнении с другими видами солнечных панелей [4].
Рассмотрим подробнее каждый из видов фотоэлементов (рисунок 2.3).
20
Рисунок 2.3 – Типы солнечных панелей
2.1.2.1 Монокристаллические фотоэлементы
Данный тип солнечных панелей является наиболее распространенным и наиболее эффективным типом. Монокристаллы делают по методу Чохраль- ского. Для этого нужен высокоочищенный кремний. После того, как моно- кристалл затвердевает, его нарезают на квадраты или «пластины», образую- щие солнечную панель. В результате получается высококачественный кри- сталл, похожий на те, которые используются в компьютерных чипах. Термин
«моно» означает, что все нарезаемые панели являются практически идентич- ными, именно это делает монокристаллические кремниевые солнечные пане- ли такими эффективными.
Обычно монокристаллические панели не являются идеально квадрат- ными, поскольку имеют срезанные углы. Эта техника помогает потоку энер- гии, проходящему по сетке из электродов, быть еще более эффективным.
Электроны движутся через панель быстрее, если острота углов каждого эле- мента была уменьшена.
Несомненно, монокристаллические кремниевые солнечные панели яв- ляются высокоэффективными, но их эффективность сводится к цене. Как правило, это самый дорогой тип солнечных батарей на рынке. КПД данных
Солнечные панели
Кремниевые
Плёночные
На основе теллурида кадмия
На основе селенида меди-индия
Полимерные
Поликристалличе- ские
Монокристалличе- ские
Аморфные
21 батарей достигает 20/%. Для получения отличных характеристик панель необходимо направлять перпендикулярно лучам солнца.
2.1.2.2 Поликристаллические фотоэлементы
Поликристаллы создают из кремния, имеющего худшую степенью очистки. Так же их можно создавать и из вторсырья. При этом на создание поликристаллов нужно меньше энергии. В результате поликристаллические пластины стоят дешевле монокристаллических.
Для получения поликристалла, кремниевую субстанцию медленно охлаждают. При изготовлении данного типа панелей затрачивается меньшее количество энергии, чем при монокристаллических, однако их эффектив- ность ниже. Эти солнечные элементы имеют квадратную форму. Относи- тельно низкая эффективность объясняется тем, что электроны оказываются в ловушке между кристаллами, в отличие от монокристаллических ячеек, в ко- торых зёрна кристаллов расположены параллельно. Из-за этого солнечные панели из поликристаллического кремния дешевле, но они все еще могут производить достаточное количество энергии.
Такие солнечные панели могут работать при пасмурной погоде и от рассеянного света.
2.1.2.3 Аморфные фотоэлементы
Этот тип можно отнести и к кремниевым панелям, поскольку кремний является материалом изготовления, и к плёночным, потому что они изготов- лены по принципу их производства. Поскольку выходная электрическая мощность низкая, солнечные элементы на основе аморфного кремния обычно используются только для небольших устройств, таких как карманные каль- куляторы.
2.1.2.4 На основе теллурида кадмия
Кадмий является материалом с очень высоким показателем светопо- глощения. Теллурид кадмия является единственной технологией плёночных
22 солнечных панелей, которая экономически превзошла эффективность поли- кристаллических и монокристаллических солнечных панелей на значитель- ной части рынка. Эффективность панелей на основе кадмия обычно находит- ся в диапазоне 9-11%.
2.1.2.5 На основе селенида меди-индия
По сравнению с другими плёночными технологиями, описанными вы- ше, описываемые солнечные элементы показали наибольший потенциал с точки зрения эффективности. Ко всему прочему, эти солнечные элементы содержат меньшее количество токсичного материала кадмия, который сполна содержится в теллурид-кадмиевых солнечных элементах. Показатели эффек- тивности для этих солнечных панелей обычно работают в диапазоне 20-21%.
2.1.2.6 На основе полимеров
В качестве светопоглощающих материалов используются полупровод- ники - полифенилен, фуреллены, фталоцианин меди. КПД полимерных сол- нечных батарей равно около 5-6%. Главное достоинство – дешевая стоимость производства. Такие панели доступны по цене, они не оказывают вредного воздействия на окружающую среду. Основное направление их использования
– объекты, необходима механическая эластичность и возможность утилиза- ции без причинения вреда экологии.
2.1.2.7 Обобщение данных о фотоэлектрических панелях
С каждым годом КПД солнечных батарей растет. Себестоимость – снижается. Помимо самой технологии производства на характеристики сол- нечных панелей оказывают влияние и другие факторы.
При увеличении температуры окружающей среды, нагреваются сол- нечные панели. В результате их КПД снижается. Если часть рабочей панели затемнить, то это приведет к появлению паразитной нагрузки. Неосвещенные части панели начинают потреблять энергию. Это приводит к снижению вы-
23 ходного напряжения. От таких проблем можно избавиться, если подключить байпас к каждому блоку солнечной панели.
Солнечные панели имеют гарантированный срок службы при потери номинальной мощности до 10% - 10 лет. С потерей мощности до 80% - 20-25 лет. В целом, солнечные панели можно эксплуатировать 35 лет.
Сравнение всех видов солнечных панелей сведем в таблицу 2.1.
Таблица 2.1 – Сравнение видов солнечных панелей
Тип солнечных
панелей
Возможный
уровень эф-
фективности
(КПД)
Плюсы
Минусы
Монокристалличе- ские
20%
Высокая эффек- тивность; оптими- зированность для коммерческого использования; высокая продол- жительность жиз- ни
Высокая стои- мость
Необходимо направлять пер- пендикулярно солнцу
Поликристалличе- ские
15%
Низкая цена
Работают в пас- мурную погоду, преобразуют и рассеянный свет.
Чувствительность к высоким темпе- ратурам; низкая продолжитель- ность жизни и плохая эффек- тивность про- странства
24
Продолжение таблицы 2.1
Аморфные
7%
Относительно низкая сто- имость; простые в произ- водстве
Короткие гарантии и про- должительность жизни
Теллурид кадмия
11%
Один из дешевых вариан- тов стоимости электро- энергии на 1 кВт.
Высокое загрязнение окружающей среди из-за присутствия токсичного материала – кадмия.
Низкий КПД
Селенид ме- ди-индия
17% КПД может составлять до
20%. Отсутствует высокое загрязнение окружающей среди из-за отсутствия токсичного материала - кадмия
Дорогие.
Полимерные 6% Низкая стоимость, до- ступность, экологичность.
Панели эластичны. Тол- щина пленки около 100 нм.
Низкий КПД.
2.1.3 Категории фотоэлектрических солнечных панелей
Все фотоэлементы делятся на несколько категорий:
1. Класс A. При их создании используется самый чистый кремний, следовательно, они имеют самое высокое качество. Панели класса A не име- ют видимых дефектов. При близком осмотре данный класс может иметь не- большой изгиб (2 миллиметра или менее), или очень лёгкое отклонение цвета от основного.
25 2. Класс B. Панели класса B могут иметь дефекты, которые видны не- вооруженным глазом. Допустимые дефекты: изгиб панели (2-2,5 мм), откло- нение цвета, царапины длиной до 50 мм. Эти панели имеют тот же выходной ток, что и панели класса A.
3. Класс C. К нему относятся фотоэлементы, имеющие недостаток, ко- торый влияет на выходную мощность, поэтому она ниже, чем у ячеек класса
A и B, однако цена этого класса самая низкая. Данные ячейки могут быть ча- стично сломаны, но могут быть разрезаны и использованы в качестве пане- лей меньшего размера.
4. Класс D. Ячейки этого класса, в отличие от предыдущего, сломаны настолько сильно, что не могут быть разрезаны на более мелкие части.
Для применения в проекте предлагается использовать солнечные пане- ли класса А или В.
2.1.4 Климатические и географические условия применения
Уровень инсоляции или облучения показывает количество энергии, попавшей на поверхность земли на единицу поверхности за единицу време- ни. На рисунке 2.4 показана карта уровней инсоляции в различных местах
Европы и Азии. Уровень инсоляции зависит от географической широты, от высоты солнца над горизонтом, от угла наклона и ориентации поверхности земли. Чем выше уровень инсоляции, тем больше электрической энергии можно получить с одного квадратного метра земли. В России из-за большой протяженности страны уровень инсоляции колеблется от 800 до 1400 кВт*ч/м
2
в год [19, 29].
Примем расположение солнечной электростанции в г. Тольятти, Са- марской области. Тольятти находится в средней полосе Российской Федера- ции [17,31].
Солнечные панели, а также аккумуляторные батареи меняют свои ха- рактеристики при смене температуры окружающей среды. Выполним анализ
26 инсоляции и температуры в г. Тольятти. В результате сделаем вывод: воз- можно ли применение солнечных панелей в этой местности.
Рисунок 2.4 – Карта инсоляции
Климат в г. Тольятти – континентальный. Летом жарко, зимой холодно.
Благодаря наличию ГЭС имени Ленина, климат более мягок на расстоянии до
3 километров от Куйбышевского водохранилища. Город Тольятти состоит из
3 районов: Комсомольский, Центральный и Автозаводский районы. Каждый район находится отдельно друг от друга. Районы разделены лесом. Рельеф г.
Тольятти не оказывает значительное влияние на микроклимат [17,18].
В январе средняя температура составляет «−10.6°C». В июле –
«+20.9°C». Абсолютный максимум был в 2010 году – «+40.5°C». Абсолют- ный минимум «−43.4°C» наблюдался в январе 1979 г. Среднегодовая темпе- ратура – «+5.1°C». За городом температура обычно отличается на 1.2°C -
4,5°C.
В холодное время года выпадает – 160 мм осадков. Общее среднее ко- личество - 493 мм/год. В 1965 и в 1966 г.г. количество осадков составляло
355 мм и 615 мм соответственно. Так же бывают засухи.
27
Солнечных дней в среднем в г. Тольятти - 285. Это около 2113 часов для возможности выработки электроэнергии из энергии солнца.
С помощью программы Pvsyst можно получить требуемые характери- стики для дальнейшего использования солнечных панелей. Эта программа содержит информацию о движении солнца для нужных координат, наличие облаков, альбедо и прочее [18,31,42-43].
Для Самарской области, находящейся в средней полосе России, график солнечной инсоляции изображен на рисунке 2.5. Данный график описывает среднемесячную выработку энергии солнечными панелями, направленными на Юг. При условии, если их установить под углом 38 0
Рисунок 2.5 – График годовой выработки энергии, когда солнечная па- нель направлена на Юг под углом 38 0
Анализ возможных наклонов панели показал, что именно угол 30 0
поз- воляет получить максимум энергии из солнечной панели. Если солнце будет
28 падать прямо перпендикулярно на солнечную панель, то для идеальных условий летом количество сгенерированной электроэнергии увеличится. Од- нако, для зимних месяцев выработка энергии резко спадает. Это связано с тем, что солнце не поднимается высоко. Чтобы сбалансировать генерацию энергии панелями можно либо перестраивать наклон солнечных панелей весной и осенью, либо наклонить их под углом. В этом случае уменьшится разность вырабатываемых минимум и максимумов.
2.1.5 Альбедо поверхности Земли
Большая часть солнечных панелей может преобразовывать энергию солнца, не только непосредственно упавшего на панель, но и отраженную часть. Иными словами, солнечные панели могут работать от прямого и диф- фузного излучения.
Коэффициентом альбедо называют способность поверхности отражать солнечный свет. Число выражается в безразмерной величине и может прини- мать значение от 0 до 1. Альбедо нужно учитывать, если солнечные панели имеют наклон относительно земли больше 0 0
. Для угла наклона, равного 0 0
коэффициент Альбедо близок к нулю. По формуле 2.1 можно найти величину альбедо:
–
(2.1) где α – угол наклона плоскости относительно горизонтали.
В таблице 2.2. приведены типовые значения коэффициента альбедо для поверхностей.
Дополнительной причиной установки солнечных панелей под углом к поверхности – использование рассеянного света зимой. Зимой все покрыто снегом, значит высока степень диффузного света. Согласно таблице 2.2 зи- мой свет, отразившийся от снега, имеет коэффициент альбедо от 0,5 до 0,9.
29
Таблица 2.2. – Типовые значения коэффициента альбедо для поверхностей
Тип поверхности
Коэффициент альбедо
Асфальт
0,12
Зелёная трава
0,25
Песок
0,40
Поверхность земли
0,17
Только что выпавший снег
0,80 – 0,90
Хвойный лес
0,09 – 0,15
Лиственный лес
0,15 – 0,18
Тающий снег
0,5 – 0,7
Вода
0,10
После создания модели установки вертикальных солнечных панелей в программе Pvsyst получим среднегодовой график возможной генерации сол- нечной энергии с помощью солнечных панелей (рис. 2.6).
Видно, что у графика минимумы и максимумы уменьшились. Разница не более чем в 3 раза. У изначального графика (рис.2.5) разница была более чем в 5 раз. Из графика (рис.2.6.) видно, что рассеянный свет может дости- гать 50% от прямого падающего света.
30
Рисунок 2.6 – Средний график генерации электричества солнечными панелями с учетом коэффициента альбедо
1 2 3 4 5 6
17
2.1.1 Солнечная панель. Принцип действия
Когда солнечный свет попадает на солнечную батарею (даже в пасмур- ную погоду), фотоэлементы принимают фотоны и превращают их в электри- чество. Иными словами, фотоны выбивают электроны из своих атомов (ри- сунок 2.2) [36-39].
Рисунок 2.2 – Принцип действия солнечной панели
Проводники, прикреплённые к положительному и отрицательному по- люсам ячейки, образуют электрическую цепь. Когда электроны проходят че- рез такую цепь, они генерируют электричество. Несколько ячеек составляют солнечную панель, несколько панелей (модулей) могут быть соединены вме- сте, чтобы сформировать солнечную батарею. Чем больше батарей будет размещено, тем больше энергии можно получить.
Далее металлические проводящие пластины по бокам ячейки собирают электроны и переносят их на проводники. Происходит генерация постоянно- го напряжения.
Фотоэффект в солнечной панели возникает только при попадании на ее поверхность фотонов. На улице источником фотонов является солнце. Ночью
КПД любых солнечных панелей стремится к нулю. В утренние и вечерние часы, в облачную погоду эффективность монокристаллических солнечных панелей очень низка. Поликристаллические панели незначительно снижают
18 выходную мощность, т.к. они хорошо поглощают даже рассеянные лучи солнца. Для ультрафиолетового излучения облака не являются преградой.
Максимальная активность солнца наблюдается днем. В этот период времени солнечная панель генерирует максимум энергии. Наибольшее по- требление электричества на освещения наблюдается утром и вечером, т.е. в темное время суток. В дневное время суток освещение может не потребо- ваться.
Видно несоответствие между интервалами выработки максимума элек- трической энергии солнечными панелями и интервалами максимального по- требления электричества.
Солнечная батарея состоит из фотоэлементов. Рабочую поверхность солнечных панелей необходимо периодически очищать от пыли и мусора.
Солнечные панели проблематично использовать в регионах, где часто выпа- дают осадки, особенно снег. Снег необходимо убирать с рабочей поверхно- сти, т.к. он сильно мешает работе солнечной панели. Затемнение фотоэле- мента приводит к снижению разности потенциалов на выходе панели. Это объясняется потерями на неосвещенном элементе, который становится пара- зитной нагрузкой. Данную проблему можно решить установкой байпаса для каждого фотоэлемента.
Эффективность работы солнечной батареи снижается при увеличении ее температуры. Это связано со структурой фотоэлементов. В солнечный день обратная сторона панелей может нагреваться до 100 0
С, поэтому появ- ляется дополнительная задача в охлаждении солнечных панелей [41].
Неблагоприятные погодные условия могут вывести из строя солнеч- ную панель. В этом случае могут потребоваться дополнительные затраты на защиту панелей от града или сильного ветра. Солнечные панели большой мощности имеют большие габариты, т.е. высокую парусность. Порыв ветра легко сломает такую панель, если она будет без дополнительной защиты.
Снег в зимнее время года мешает активному развитию солнечной энер- гетики. От снега необходимо очищать солнечные панели. Минусовая темпе-
19 ратура зимой снижает характеристики панелей электричества. Однако, акку- муляторы можно хранить в тепле.
Зимой наблюдается высокий коэффициент отражения снега. Значение альбедо может достигать 85%. Отраженный свет, попадая на солнечные па- нели, увеличивает количество получаемой электроэнергии.
Для решения проблем со снегом можно использовать статичные сол- нечные панели, расположенные вертикально. Снег зимой на вертикальных панелях не будет скапливаться. В результате снизится количество времени, требуемое на обслуживание панелей – чистка от снега.
При вертикальном расположении солнечные панели будут преобразо- вывать падающие и отраженные (рассеянный свет) от снега солнечные лучи.
Панели нужно направить на южную сторону.
2.1.2 Типы солнечных панелей
Солнечная панель представляет собою несколько фотоэлементов, вы- полненных из полупроводников. Данные фотоэлементы соединяются в цепь.
В полупроводниках происходит прямое преобразование солнечной энергии в электричество.
Кремниевые солнечные панели - самые популярные. Это легко объяс- нить тем, что кремний широко распространен в земной коре. Он имеет низ- кую себестоимость и высокие показатели производительности, в сравнении с другими видами солнечных панелей [4].
Рассмотрим подробнее каждый из видов фотоэлементов (рисунок 2.3).
20
Рисунок 2.3 – Типы солнечных панелей
2.1.2.1 Монокристаллические фотоэлементы
Данный тип солнечных панелей является наиболее распространенным и наиболее эффективным типом. Монокристаллы делают по методу Чохраль- ского. Для этого нужен высокоочищенный кремний. После того, как моно- кристалл затвердевает, его нарезают на квадраты или «пластины», образую- щие солнечную панель. В результате получается высококачественный кри- сталл, похожий на те, которые используются в компьютерных чипах. Термин
«моно» означает, что все нарезаемые панели являются практически идентич- ными, именно это делает монокристаллические кремниевые солнечные пане- ли такими эффективными.
Обычно монокристаллические панели не являются идеально квадрат- ными, поскольку имеют срезанные углы. Эта техника помогает потоку энер- гии, проходящему по сетке из электродов, быть еще более эффективным.
Электроны движутся через панель быстрее, если острота углов каждого эле- мента была уменьшена.
Несомненно, монокристаллические кремниевые солнечные панели яв- ляются высокоэффективными, но их эффективность сводится к цене. Как правило, это самый дорогой тип солнечных батарей на рынке. КПД данных
Солнечные панели
Кремниевые
Плёночные
На основе теллурида кадмия
На основе селенида меди-индия
Полимерные
Поликристалличе- ские
Монокристалличе- ские
Аморфные
21 батарей достигает 20/%. Для получения отличных характеристик панель необходимо направлять перпендикулярно лучам солнца.
2.1.2.2 Поликристаллические фотоэлементы
Поликристаллы создают из кремния, имеющего худшую степенью очистки. Так же их можно создавать и из вторсырья. При этом на создание поликристаллов нужно меньше энергии. В результате поликристаллические пластины стоят дешевле монокристаллических.
Для получения поликристалла, кремниевую субстанцию медленно охлаждают. При изготовлении данного типа панелей затрачивается меньшее количество энергии, чем при монокристаллических, однако их эффектив- ность ниже. Эти солнечные элементы имеют квадратную форму. Относи- тельно низкая эффективность объясняется тем, что электроны оказываются в ловушке между кристаллами, в отличие от монокристаллических ячеек, в ко- торых зёрна кристаллов расположены параллельно. Из-за этого солнечные панели из поликристаллического кремния дешевле, но они все еще могут производить достаточное количество энергии.
Такие солнечные панели могут работать при пасмурной погоде и от рассеянного света.
2.1.2.3 Аморфные фотоэлементы
Этот тип можно отнести и к кремниевым панелям, поскольку кремний является материалом изготовления, и к плёночным, потому что они изготов- лены по принципу их производства. Поскольку выходная электрическая мощность низкая, солнечные элементы на основе аморфного кремния обычно используются только для небольших устройств, таких как карманные каль- куляторы.
2.1.2.4 На основе теллурида кадмия
Кадмий является материалом с очень высоким показателем светопо- глощения. Теллурид кадмия является единственной технологией плёночных
22 солнечных панелей, которая экономически превзошла эффективность поли- кристаллических и монокристаллических солнечных панелей на значитель- ной части рынка. Эффективность панелей на основе кадмия обычно находит- ся в диапазоне 9-11%.
2.1.2.5 На основе селенида меди-индия
По сравнению с другими плёночными технологиями, описанными вы- ше, описываемые солнечные элементы показали наибольший потенциал с точки зрения эффективности. Ко всему прочему, эти солнечные элементы содержат меньшее количество токсичного материала кадмия, который сполна содержится в теллурид-кадмиевых солнечных элементах. Показатели эффек- тивности для этих солнечных панелей обычно работают в диапазоне 20-21%.
2.1.2.6 На основе полимеров
В качестве светопоглощающих материалов используются полупровод- ники - полифенилен, фуреллены, фталоцианин меди. КПД полимерных сол- нечных батарей равно около 5-6%. Главное достоинство – дешевая стоимость производства. Такие панели доступны по цене, они не оказывают вредного воздействия на окружающую среду. Основное направление их использования
– объекты, необходима механическая эластичность и возможность утилиза- ции без причинения вреда экологии.
2.1.2.7 Обобщение данных о фотоэлектрических панелях
С каждым годом КПД солнечных батарей растет. Себестоимость – снижается. Помимо самой технологии производства на характеристики сол- нечных панелей оказывают влияние и другие факторы.
При увеличении температуры окружающей среды, нагреваются сол- нечные панели. В результате их КПД снижается. Если часть рабочей панели затемнить, то это приведет к появлению паразитной нагрузки. Неосвещенные части панели начинают потреблять энергию. Это приводит к снижению вы-
23 ходного напряжения. От таких проблем можно избавиться, если подключить байпас к каждому блоку солнечной панели.
Солнечные панели имеют гарантированный срок службы при потери номинальной мощности до 10% - 10 лет. С потерей мощности до 80% - 20-25 лет. В целом, солнечные панели можно эксплуатировать 35 лет.
Сравнение всех видов солнечных панелей сведем в таблицу 2.1.
Таблица 2.1 – Сравнение видов солнечных панелей
Тип солнечных
панелей
Возможный
уровень эф-
фективности
(КПД)
Плюсы
Минусы
Монокристалличе- ские
20%
Высокая эффек- тивность; оптими- зированность для коммерческого использования; высокая продол- жительность жиз- ни
Высокая стои- мость
Необходимо направлять пер- пендикулярно солнцу
Поликристалличе- ские
15%
Низкая цена
Работают в пас- мурную погоду, преобразуют и рассеянный свет.
Чувствительность к высоким темпе- ратурам; низкая продолжитель- ность жизни и плохая эффек- тивность про- странства
24
Продолжение таблицы 2.1
Аморфные
7%
Относительно низкая сто- имость; простые в произ- водстве
Короткие гарантии и про- должительность жизни
Теллурид кадмия
11%
Один из дешевых вариан- тов стоимости электро- энергии на 1 кВт.
Высокое загрязнение окружающей среди из-за присутствия токсичного материала – кадмия.
Низкий КПД
Селенид ме- ди-индия
17% КПД может составлять до
20%. Отсутствует высокое загрязнение окружающей среди из-за отсутствия токсичного материала - кадмия
Дорогие.
Полимерные 6% Низкая стоимость, до- ступность, экологичность.
Панели эластичны. Тол- щина пленки около 100 нм.
Низкий КПД.
2.1.3 Категории фотоэлектрических солнечных панелей
Все фотоэлементы делятся на несколько категорий:
1. Класс A. При их создании используется самый чистый кремний, следовательно, они имеют самое высокое качество. Панели класса A не име- ют видимых дефектов. При близком осмотре данный класс может иметь не- большой изгиб (2 миллиметра или менее), или очень лёгкое отклонение цвета от основного.
25 2. Класс B. Панели класса B могут иметь дефекты, которые видны не- вооруженным глазом. Допустимые дефекты: изгиб панели (2-2,5 мм), откло- нение цвета, царапины длиной до 50 мм. Эти панели имеют тот же выходной ток, что и панели класса A.
3. Класс C. К нему относятся фотоэлементы, имеющие недостаток, ко- торый влияет на выходную мощность, поэтому она ниже, чем у ячеек класса
A и B, однако цена этого класса самая низкая. Данные ячейки могут быть ча- стично сломаны, но могут быть разрезаны и использованы в качестве пане- лей меньшего размера.
4. Класс D. Ячейки этого класса, в отличие от предыдущего, сломаны настолько сильно, что не могут быть разрезаны на более мелкие части.
Для применения в проекте предлагается использовать солнечные пане- ли класса А или В.
2.1.4 Климатические и географические условия применения
Уровень инсоляции или облучения показывает количество энергии, попавшей на поверхность земли на единицу поверхности за единицу време- ни. На рисунке 2.4 показана карта уровней инсоляции в различных местах
Европы и Азии. Уровень инсоляции зависит от географической широты, от высоты солнца над горизонтом, от угла наклона и ориентации поверхности земли. Чем выше уровень инсоляции, тем больше электрической энергии можно получить с одного квадратного метра земли. В России из-за большой протяженности страны уровень инсоляции колеблется от 800 до 1400 кВт*ч/м
2
в год [19, 29].
Примем расположение солнечной электростанции в г. Тольятти, Са- марской области. Тольятти находится в средней полосе Российской Федера- ции [17,31].
Солнечные панели, а также аккумуляторные батареи меняют свои ха- рактеристики при смене температуры окружающей среды. Выполним анализ
26 инсоляции и температуры в г. Тольятти. В результате сделаем вывод: воз- можно ли применение солнечных панелей в этой местности.
Рисунок 2.4 – Карта инсоляции
Климат в г. Тольятти – континентальный. Летом жарко, зимой холодно.
Благодаря наличию ГЭС имени Ленина, климат более мягок на расстоянии до
3 километров от Куйбышевского водохранилища. Город Тольятти состоит из
3 районов: Комсомольский, Центральный и Автозаводский районы. Каждый район находится отдельно друг от друга. Районы разделены лесом. Рельеф г.
Тольятти не оказывает значительное влияние на микроклимат [17,18].
В январе средняя температура составляет «−10.6°C». В июле –
«+20.9°C». Абсолютный максимум был в 2010 году – «+40.5°C». Абсолют- ный минимум «−43.4°C» наблюдался в январе 1979 г. Среднегодовая темпе- ратура – «+5.1°C». За городом температура обычно отличается на 1.2°C -
4,5°C.
В холодное время года выпадает – 160 мм осадков. Общее среднее ко- личество - 493 мм/год. В 1965 и в 1966 г.г. количество осадков составляло
355 мм и 615 мм соответственно. Так же бывают засухи.
27
Солнечных дней в среднем в г. Тольятти - 285. Это около 2113 часов для возможности выработки электроэнергии из энергии солнца.
С помощью программы Pvsyst можно получить требуемые характери- стики для дальнейшего использования солнечных панелей. Эта программа содержит информацию о движении солнца для нужных координат, наличие облаков, альбедо и прочее [18,31,42-43].
Для Самарской области, находящейся в средней полосе России, график солнечной инсоляции изображен на рисунке 2.5. Данный график описывает среднемесячную выработку энергии солнечными панелями, направленными на Юг. При условии, если их установить под углом 38 0
Рисунок 2.5 – График годовой выработки энергии, когда солнечная па- нель направлена на Юг под углом 38 0
Анализ возможных наклонов панели показал, что именно угол 30 0
поз- воляет получить максимум энергии из солнечной панели. Если солнце будет
28 падать прямо перпендикулярно на солнечную панель, то для идеальных условий летом количество сгенерированной электроэнергии увеличится. Од- нако, для зимних месяцев выработка энергии резко спадает. Это связано с тем, что солнце не поднимается высоко. Чтобы сбалансировать генерацию энергии панелями можно либо перестраивать наклон солнечных панелей весной и осенью, либо наклонить их под углом. В этом случае уменьшится разность вырабатываемых минимум и максимумов.
2.1.5 Альбедо поверхности Земли
Большая часть солнечных панелей может преобразовывать энергию солнца, не только непосредственно упавшего на панель, но и отраженную часть. Иными словами, солнечные панели могут работать от прямого и диф- фузного излучения.
Коэффициентом альбедо называют способность поверхности отражать солнечный свет. Число выражается в безразмерной величине и может прини- мать значение от 0 до 1. Альбедо нужно учитывать, если солнечные панели имеют наклон относительно земли больше 0 0
. Для угла наклона, равного 0 0
коэффициент Альбедо близок к нулю. По формуле 2.1 можно найти величину альбедо:
–
(2.1) где α – угол наклона плоскости относительно горизонтали.
В таблице 2.2. приведены типовые значения коэффициента альбедо для поверхностей.
Дополнительной причиной установки солнечных панелей под углом к поверхности – использование рассеянного света зимой. Зимой все покрыто снегом, значит высока степень диффузного света. Согласно таблице 2.2 зи- мой свет, отразившийся от снега, имеет коэффициент альбедо от 0,5 до 0,9.
29
Таблица 2.2. – Типовые значения коэффициента альбедо для поверхностей
Тип поверхности
Коэффициент альбедо
Асфальт
0,12
Зелёная трава
0,25
Песок
0,40
Поверхность земли
0,17
Только что выпавший снег
0,80 – 0,90
Хвойный лес
0,09 – 0,15
Лиственный лес
0,15 – 0,18
Тающий снег
0,5 – 0,7
Вода
0,10
После создания модели установки вертикальных солнечных панелей в программе Pvsyst получим среднегодовой график возможной генерации сол- нечной энергии с помощью солнечных панелей (рис. 2.6).
Видно, что у графика минимумы и максимумы уменьшились. Разница не более чем в 3 раза. У изначального графика (рис.2.5) разница была более чем в 5 раз. Из графика (рис.2.6.) видно, что рассеянный свет может дости- гать 50% от прямого падающего света.
30
Рисунок 2.6 – Средний график генерации электричества солнечными панелями с учетом коэффициента альбедо
1 2 3 4 5 6
2.2
Инверторы
Солнечные панели вырабатывают постоянного напряжение. К сожале- нию, большинство электроприборов не могут использовать данный тип элек- троэнергии, поэтому солнечные электростанции так же включают в себя ин- верторы [44-49].
Инвертор – устройство, которое преобразует постоянный ток в пере- менный. Инверторы являются «мозгом» системы. Наряду с преобразованием напряжения постоянного тока в переменный ток, инверторы также обеспечи- вают защиту от замыкания и отслеживание системной статистики. Выходное напряжение автономных инверторов в большинстве случаев составляет 220В
(рис.2.7).
31
Рисунок 2.7 - Схема подключения инвертора к солнечной панели через аккумулятор
Преобразованная мощность переменного тока используется для работы таких приборов, как телевизор, холодильник, микроволновая печь и т.д. Для некоторых конкретных приборов мощность постоянного тока от солнечной панели может быть использована напрямую (светодиоды, зарядное устрой- ство для сотового телефона). Однако, как правило, мощность домашней сол- нечной энергосистемы в основном используется в виде переменного тока.
Инверторы могут на выходе выдать чистый синусоидальный сигнал
(рисунок 2.8 а) или модифицированный синус (рисунок 2.8 б).
Инвертор, выдающий чистый синус может запитать любой электро- приемник, рассчитанный на синусоидальный сигнал. Запитывать электро- приемник от модифицированного синуса – опасно. Большинство электропри- емников могут выйти из строя или начать сильно греться.
Цены на инверторы с чистым и модифицированным синусом различны.
Инверторы с выходным модифицированным синусом – дешевле. Однако, ин- верторы, выдающие чистый синус, характеризуются меньшими потерями и лучшими показателями качества электроэнергии.
32 а) б) а) Чистый синусоидальный сигнал б) Модифицированный синусоидальный сигнал
Рисунок 2.8 – Виды выходного сигнала с инвертора
Каждый инвертор характеризуется набором параметров. Один из важ- ных параметров – КПД. У инверторов он может составлять 98%. Если КПД инвертора ниже 90%, то его не следует использовать для построения солнеч- ной электростанции.
Важными параметрами инвертора так же считаются: класс защиты IP, срок службы, количество выходов синусоидального сигнала…
2.2.1 Виды инверторов
У всех типов инверторов одна и та же основная задача: преобразовать солнечную энергию постоянного тока в полезную энергию переменного тока.
Тем не менее, есть три различных типа инверторов, и каждый из них работа- ет по-своему. Рассмотрим каждый из них.
33
2.2.1.1 Автономные инверторы
Данный вид инвертора называется еще off grid. Такие инверторы ис- пользуют там, где отсутствует электричество.
2.2.1.2 Сетевые инверторы
Данный вид инвертора называется еще on grid. Такие инверторы рабо- тают синхронно с электрической сетью. Помимо преобразования постоянно- го напряжения в переменное, такого рода инверторы еще контролируют ам- плитуду и частоту сети. Сетевые инверторы используют без АКБ. Энергия из солнечных панелей сразу сбрасывается с сеть.
2.2.1.3 Гибридные инверторы
Гибридными инверторам является смесь сетевых и автономных инвер- торов. Их еще называют «аккумуляторно-сетевыми». Такого типа инверторы имеют множество настроек для оптимального энергоснабжения от сети и от
АКБ.
Этот тип инверторов применяется в схемах, где используется резервное хранение полученной от солнца энергии в аккумуляторной батарее. Излишки неиспользуемой энергии передаются в электросеть. Синхронные инверторы способны обеспечивать подачу энергии переменного тока в сеть во время пе- ребоев в подаче электричества. В пасмурные дни, когда эффективность рабо- ты солнечных батарей достаточно низкая, приборы могут работать от тради- ционной электросети, и потребителю не понадобится отдельная аккумуля- торная батарея для СЭС.
2.2.2 Солнечная электростанция и мощность инвертора
Для выбора требуемой мощности инвертора необходимо знать мощ- ность солнечных панелей, вырабатывающих электроэнергию и максималь- ную потребляемую мощность нагрузкой.
Солнечные электростанции малой мощности до 5 кВт обычно подклю- чаются к одному инвертору. Для электростанций большей мощности исполь-
34 зуют каскадное подключение инверторов. В этом случае, если один из инвер- торов выйдет из строя, то не все солнечные панели будут простаивать.
2.2.2.1 Правила выбора мощности инвертора в зависимости от
мощности солнечных панелей
Большинство рекомендаций по выбору инвертора заключается в выбо- ре инвертора мощнее на 30%, чем солнечные панели. При инсоляции ниже
1000 Вт/м
2
данные рекомендации могут только навредить: производитель- ность солнечных электростанции падает (рисунок 2.9).
Рисунок 2.9 – Влияние эффективной работы инвертора от загрузки солнечными панелями
Анализ графика показывает, что при загрузке инвертора ниже 30% от номинала его эффективность снижается. Большую часть времени на солнеч- ные панели падает солнечное излучение 100–400 Вт/м². Излучение выше
1000 Вт/м² за все время бывает не чаще 10% от всего времени. Исходя из это- го, изначальное увеличение мощности инвертора на 30% приведет к его не-
35 эффективной работе во время преобразования постоянного тока в перемен- ный.
Чем севернее находятся солнечные панели, тем меньший запас инвер- тора нужно выбирать. В некоторых случаях нужно брать запас равный 90% от номинального. Так же дополнительным аргументом для выбора менее мощного инвертора является его цена. Чем мощнее инвертор, тем выше его цена.
2.2.2.2 Правила выбора мощности инвертора в зависимости от
мощности нагрузки
При выборе мощности инвертора необходимо учитывать условие: пи- ковая мощность инвертора должна быть больше суммарной мощности элек- троприемников переменного напряжения на 20-30%. В этом случае все при- боры будут работать нормально при питании от АКБ. Это связано с тем, что при пуске многих устройств их пусковые токи могут быть больше номиналь- ные в 2-9 раза. Если мощности инвертора будет недостаточно, то такая нагрузка не сможет запуститься. При выборе мощности инвертора нужно учитывать пусковые токи нагрузок.
2.3
Аккумуляторные батареи
Для питания потребителей вечером, ночью и утром или при отсутствии электричества, электроэнергию необходимо запасать днем. Существуют раз- личные подходы в хранении энергии: аккумуляторные батареи, преобразова- ние электрической энергии в кинетическую энергию (вращение массивного тела), преобразование электрической энергии в потенциальную энергию (за- пасаем жидкость высоко над землей), электричество в энергию сжатого газа.
Нужно помнить, что любое преобразование одного вида энергии в другое вносит потери. Преобразование электричества в другой вид энергии с после- дующим преобразованием опять в электрическую энергию дает двойные по- тери.
36
Для нашего проекта подходит хранение энергии в аккумуляторной ба- тарее.
При работе параллельно с сетью, если система вырабатывает больше энергии, чем потребляется нагрузкой, то избыток подается в аккумуляторные батареи. Когда появляется необходимость в потреблении накопленной энер- гии, батареи отправляют эту энергии в сеть [50-51].
Когда солнечные элементы не вырабатывают энергию, например, но- чью, или отсутствует электричество, то используется энергия, накопленная в аккумуляторах, либо электросеть напрямую.
Потребность в аккумуляторных батареях (АКБ) в системе солнечной электростанции заключается в том, что аккумуляторные батареи способны отдавать накопленную энергию в пасмурную погоду, ночью или в условиях пониженных температур, когда нет возможности использовать солнечные ба- тареи в обычном режиме. Эти устройства помогают продлить срок службы всей системы. Объединив их в блок из нескольких батарей, можно увеличить объём накапливаемой энергии. При возникновении скачков напряжения, ак- кумуляторная батарея подпитывает систему электроснабжения, помогая сол- нечным панелям справляться с обеспечением потребителей в предельные моменты.
Каждая АКБ имеет свою плотность энергии на 1 кг веса (рисунок 2.10)