Фотоэлектрические преобразователи

Прямое преобразование солнечной энергии в электроэнергию с помощью фотоэлектрических преобразователей является в настоящее время одним из наиболее динамичных направлений развития возобновляемой энергетики. Такому положению дел во многом способствуют полученный положительный опыт практического применения фотоэлектрических преобразователей и постоянное совершенствование технологий изготовления солнечных элементов, связанных с повышением их КПД и снижением себестоимости.

По данным американского агентства «Стратегия без границ», мировой рынок фотоэлектричества перешел 10-миллиардный рубеж в долларовом измерении, и уже в скором будущем фотоэнергетика может стать серьезной альтернативой любым другим методам производства электрической энергии.

В основе любого фотоэлектрического преобразователя лежит солнечный элемент (СЭ). Солнечные элементы могут быть круглыми (диаметром 100,125 и 150 мм) или квадратными (82x82,100x100 и 125x125 мм). Мощность элементов 0,9-2,7 Вт.

Наибольшее распространение получили СЭ с использованием поликристаллического или монокристаллического кремния – более 90% от всех модулей. Поликристаллические СЭ имеют более низкий КПД, чем монокристаллические, они также менее стабильны во времени. Однако стоят дешевле и вследствие лучшего заполнения площади модуля их КПД не намного меньше, чем у модулей из монокристаллического кремния.

Около 10% СЭ используют аморфный кремний. Цвет кристаллических фотоэлементов обычно синий с отблеском, а аморфные модули гладкие на вид и меняют цвет в зависимости от угла зрения. Кристаллические СЭ имеют более высокий КПД в сравнении с аморфными фотоэлементами (см. табл. 21.1).

Таблица 1.2 – КПД солнечных элементов

Аморфный кремний, ввиду его более низкой энергетической эффективности, находит применение в приборах небольшой мощности (часы, калькуляторы и т.п.), в силовых установках используется редко.

В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ – тонкопленочные СЭ из медь-индий-диселенида, аморфного кремния и теллурида кадмия, фотоэлектрические преобразователи на основе гетероструктур и т.д. Некоторые из этих технологий уже получили коммерческое применение.

Фотоэлемент представляет собой «сэндвич» из двух слоев кремния разной проводимости, сетки из металлических контактов и антибликового покрытия. На один слой кремния наносится специальное вещество, благодаря которому образуется избыток электронов. Получается отрицательно заряженный –слой. На другом слое создается недостаток электронов, он становится положительно заряженным –слоем. Собранные вместе с проводниками, эти две поверхности образуют светочувствительный электронно-дырочный переход. При воздействии солнца или другого интенсивного источника света СЭ поглощает часть светового спектра, при этом происходит процесс «выбивания» фотоном электрона с верхнего слоя СЭ и перемещение его на нижний слой. В электрической цепи возникает постоянный ток напряжением примерно в 0,5 В. Сила тока (ампер) пропорциональна световой энергии (количеству фотонов). В любой фотоэлектрической системе напряжение почти постоянно, а ток пропорционаленразмеру фотоэлементов и интенсивности света [9].

Принцип действия СЭ и его внешний вид иллюстрирует рис.12.6.

Рисунок 12.6 – Солнечный элемент

Мощность одного СЭ невелика, поэтому для удобства использования их объединяют в солнечные модули – батарею взаимосвязанных солнечных элементов, объединенных в одном корпусе. Размеры и тип корпуса солнечных модулей (СМ) определяются производителем – модули в алюминиевой раме, покрытые стеклом, безрамочные ламинированные, совмещение с материалом кровли и т.п.

Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выращенная в ваттах пиковой мощности , характеризует количество электроэнергии, которое может произвести фотоэлектрический модуль при оптимальных условиях. Электрические параметры модулей представляются в виде вольт-амперной характеристики (см. рис. 12.7), снятой при стандартных условиях, т.е. когда мощность солнечной радиации составляет 1000 Вт/м², температура элементов – 25°С и солнечный спектр – на широте 45°.

Рисунок 12.7 – Вольт-амперная характеристика солнечного модуля

Кристаллический кремниевый СЭ с размерами 10x10 см имеет пиковую мощность примерно . Большинство панелей с площадью 1 м² имеют номинальную мощность около .

Точка пересечения вольт-амперной характеристики с осью напряжения называется напряжением холостого хода , а с осью тока – током короткого замыкания . На рис. 12.7 приведена также кривая мощности, отбираемой от солнечного модуля в зависимости от напряжения нагрузки. Номинальная мощность модуля определяется как наибольшая мощность при стандартных условиях. Значение напряжения, соответствующее максимальной мощности, называется напряжением максимальной мощности (рабочим напряжением), а соответствующий ток – током максимальной мощности (рабочим током). В большинстве случаев СМ конструируются для зарядки аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12 В. Значение рабочего напряжения для модуля, состоящего из 36 элементов, приблизительно равно 16-17 В при 25°С. Такой запас по напряжению необходим для того, чтобы компенсировать снижение рабочего напряжения при нагреве модуля (солнечным излучением) – температурный коэффициент напряжения холостого хода для кремния составляет около 0,4%/градус. Температурный коэффициент тока – положительный (0,07%/градус). Напряжение холостого хода модуля мало меняется при изменении освещенности (в то время как ток короткого замыкания прямо ей пропорционален). КПД солнечного модуля определяется как отношение максимальной мощности (модуля) к общей мощности излучения, падающей на его поверхность при стандартных условиях [137].

Для получения необходимой мощности и рабочего напряжения модули соединяют последовательно или параллельно. Таким образом получают фотоэлектрический генератор или солнечную панель. Мощность генератора всегда меньше, чем сумма мощностей модулей, из-за потерь, обусловленных различием в характеристиках однотипных модулей (потерь на преодоление рассогласования). Чем тщательнее подобраны модули в генераторе (или чем меньше различие в характеристиках модулей), тем ьше потери на преодоление рассогласования. Например, при последовательном соединении десямодулей с разбросом характеристик в 10% эти потери составляют приблизительно 6%, а при разбросе в 5% уменьшаются до 2% [137].

Для надежного обеспечения потребителя электричеством на основе солнечной энергии создаются фотоэлектрические системы (ФС), в которые, кроме СМ, входит ряд дополнительных элементов, состав которых во многом зависит от типа и назначения солнечной электростанции.

Различают два основных типа солнечных фотоэлектрических систем: автономные системы и системы,работающие параллельно с сетью.

Автономные ФС используются для электроснабжения потребителей небольшой мощности, удаленныхот сетей централизованного электроснабжения, куда затруднена или экономически невыгодна прокладка линий электропередач. Находят все большее применение для электроснабжения индивидуальных жилых домов.

Автономная ФС, кроме солнечных панелей, как правило, содержит аккумуляторные батареи (АБ)и контроллер заряда-разряда. При необходимости электроснабжения потребителей, требующих стандартного напряжения 220 В переменного тока, в состав ФС необходимо включить инвертор (см. рис. 12.8).

Рисунок 12.8 – Автономная фотоэлектрическая система электроснабжения

Параметры элементов ФС (тип и количество СМ, емкость АБ, мощность инвертора), а соответственно и ее стоимость, зависят от многих факторов: состава электрической нагрузки и среднесуточного электропотребления, характера работы ФС (сезонный или круглогодичный), среднемесячного прихода солнечной радиации и числа последовательных дней без солнца в месте установки СМ, системы ориентации солнечных панелей на солнце и некоторых других факторов.

Для повышения эффективности работы солнечных панелей необходима их правильная ориентация на солнце. Наилучшие условия для генерации электроэнергии будут при ярком солнце и при ориентации панелей перпендикулярно солнечному свету. Для местностей северного полушария панели должны быть ориентированы на юг, для стран южного полушария – на север.

Солнце двигается по небу с востока на запад. Солнечные панели обычно располагаются на крыше или поддерживающей конструкции в фиксированном положении и нe могут постоянно следить за положением солнца. Поэтому обычно солнечные панели не находятся под оптимальным углом (90°) в течение всего дня. Угол между плоскостью и солнечной панелью обычно называют углом наклона.

Вследствие движения Земли вокруг Солнца имеют место также сезонные вариации. Зимой Солнце не достигает того же угла, как летом. Обычно оптимальный угол наклона принимается для весны и осени равным значению широты местности: для зимы к этому значению прибавляется 10-15 градусов, а летом от этого значения отнимается 10-15 градусов. Поэтому обычно рекомендуется менять угол наклона дважды в год – переходить с летнего на зимний. Если такой возможности нет, то угол наклона выбирается примерно равным широте местности [12].

Важным компонентом ФС является АБ. Аккумуляторы обеспечивают запас электрической энергии, необходимой для электроснабжения потребителей в ночное время, в облачную погоду и компенсируют режимы пиковых нагрузок, которые не могут покрыть фотоэлектрические модули. Кроме того, АБ выполняет роль стабилизатора напряжения на нагрузке, так как выходное напряжение СМ в соответствии с его вольт-амперной характеристикой может изменяться в широких пределах.

Наибольшее распространение получили автомобильные аккумуляторы, основным назначением которых является обеспечение больших стартерных токов при пуске двигателя автомобиля. Такие аккумуляторыимеют невысокую стоимость, однако они плохо выдерживают продолжительные циклы зарядки-разрядки, типичные для солнечных систем.

Основными условиями по выбору аккумуляторов являются: стойкость к циклическому режиму работы, способность выдерживать глубокий разряд, долговечность и простота в обслуживании, высокий КПД, компактность и герметичность.

Этим требованиям в полной мере удовлетворяют аккумуляторы, выполненные по технологиям «dryfit» и AGM (абсорбированный электролит) или рекомбинационной технологии. Они характеризуются отсутствием эксплуатационных затрат и перекрывают диапазон емкостей 1-12000 А·ч, что позволяет удовлетворять требованиям любых потребителей. Выделяющиеся при зарядке газы не выходят из аккумулятора, поэтому электролит не расходуется и обслуживание не требуется. Гарантийный срок службы таких аккумуляторов составляет 15 лет, они допускают до 1200 циклов заряд-разряд. Однако стоимость АБ такого типа составляет 150-250 $/кВт·ч.

Для ФС специально разработана «солнечная» серия свинцово-кислотных аккумуляторов, способных выдерживать тяжелые цикличные режимы работы, характерные для любой автономной системы электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии. Это в основном так называемые заливные батареи с намазными пластинами (серия OPzS).

Эти батареи имеют пониженное газовыделение и допускают много циклов заряд-разряд до 60% от номинальной емкости без повреждения и значительного сокращения срока службы. Однако такие батареи в России пока не очень распространены, фирмы их возят на заказ (срок исполнения заказа до двух месяцев), и стоят они гораздо дороже. Например, европейские аккумуляторы такого типа емкостью 100 А·ч, напряжением 12 В стоят около 350 евро [12].

Эксплуатация аккумуляторов при глубоком разряде приводит к необходимости их более частой замены и обслуживания и, соответственно, к удорожанию системы. Глубину разряда аккумуляторов в солнечных системах стремятся ограничить на уровне 30-40%, что достигается отключением нагрузки (снижением мощности) или использованием аккумуляторов большей емкости. Поэтому для управления процессом зарядки и выбора оптимального режима в состав солнечной электрической станции обязательно включают контроллеры заряда-разряда аккумуляторной батареи [137].

Контроллер заряда-разряда АБ – это электронное устройство, которое защищает батарею от чрезмерной зарядки и глубокой разрядки, что позволяет значительно продлить срок службы аккумулятора.

Современные контроллеры обеспечивают защиту от коротких замыканий в нагрузке и от подключения АБ обратной полярностью. Многие модели оборудованы светодиодами, которые отмечают состояние работы и поломки системы. Стоимость контроллера заряда-разряда составляет обычно не более 5% от стоимости всей ФС.

Для преобразования постоянного тока, вырабатываемого солнечной батареей, в переменный ток синусоидальной формы необходим инвертор. В установках, использующих возобновляемую энергию, обычно используются комплектные инверторы, серийно выпускаемые многими производителями. Основными техническими характеристиками инвертора являются величина напряжения на входе и выходе, выходная частота и мощность. Качественный инвертор должен обеспечивать высокий КПД и стабилизацию выходного напряжения, низкий коэффициент гармоник и способность выдерживать возможные перегрузки. Стоимость современных инверторов составляет 0,5-1 $/Вт выходной мощности.

ФС, работающие параллельно с сетью, используются для снижения затрат на потребленную электрическую энергию. Подключенная к сети фотоэлектрическая система может обеспечивать часть необходимой нагрузки, другая ее часть компенсируется энергией из промышленной сети. В этом случае аккумуляторная батарея не требуется, а инвертор используется для соединения фотоэлектрических панелей с сетью.

ФС позволяют разгрузить энергосистему в пиковые часы, сэкономить дорогое органическое топливо и улучшить экологическую обстановку в регионе. Именно по этим причинам практическое использование фотоэлектрических преобразователей стимулируется во многих странах мира. Например, в Германии, при стоимости 1 кВт·ч электрической энергии, полученной традиционным способом, – 17 центов, электроэнергия, сгенерированная с помощью ФС, покупается государством у населения по цене 50 центов за 1 кВт·ч.

12.2. Технологии энергетического использования
биомассы

Одним из наиболее распространенных и универсальных жизнеобеспечивающих ресурсов человечества является биомасса, которая образуется в процессе фотосинтеза – химической реакции, протекающей в зеленых растениях под действием энергии Солнца. В результате химических процессов образуются органические вещества, которые человек использует в качестве пищи, для получения бумаги, тканей, строительных материалов, медицинских препаратов и т.д.

В то же время биомасса является ценным энергетическим сырьем, из которого возможно получение тепловой и электрической энергии. Ежегодно в процессе фотосинтеза на Земле образуется около 120 млрд т сухого органического вещества, что энергетически эквивалентно 40 млрд т нефти и в десять раз превышает мировой уровень ее потребления [30].

С точки зрения химического состава и процесса образования традиционные виды топлива – нефть, уголь и газ также являются биомассой, но биомассой «древней», для создания которой требуются очень длительный срок. Например, по оценкам специалистов, для возмещения ежегодного потребления нефти требуется около двух миллионов лет, в связи с чем ископаемое органическое топливо нельзя отнести к возобновляемым источникам энергии. Время же образования «свежей» биомассы, в зависимости от ее вида, составляет от нескольких месяцев до нескольких десятилетий, поэтому она является полноправным возобновляемым источником энергии.

Большой энергетический потенциал и возобновляемый характер стимулируют развитие технологий получения энергии из биомассы. На сегодняшний день энергетическое использование биомассы является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей возобновляемой энергетики во многих странах мира. В странах ЕС доля энергии, получаемой из биомассы, от общего производства ВИЭ составляет 55% [30].

Наиболее эффективно энергия биомассы используется в Португалии, Испании, Франции, Германии, Дании, Италии. Швеция и Австрия обеспечивают до 15% потребности в первичных энергоносителях за счет биомассы, а в США сегодня работают установки, сжигающие биомассу для получения электроэнергии общей установленной мощностью более 9000 МВт, что эквивалентно суммарноймощности АЭС. Для развивающихся стран Азии и Африки биомасса является на сегодняшний день основным источником энергии. В среднем, в развивающихся странах биомасса обеспечивает 38% первичной энергии, а в некоторых странах, например Непале и Кении, – более 90%.

В зависимости от свойств органического сырья возможны различные технологии его энергетического использования. Выделяют следующие группы источников биомассы [105]:

1. Древесина, древесные отходы, торф, листья и т.п.

2. Отходы жизнедеятельности людей, включая производственную деятельность (твердые бытовые отходы, лигнин и др.).

3. Отходы сельскохозяйственного производства (навоз, куриный помет, стебли, ботва и т.д.).

4. Специально выращиваемые высокоурожайные агрокультуры и растения.

Для использования сухой биомассы наиболее эффективны термохимические технологии (прямое сжигание, газификация, пиролиз и т.п.), для влажной биомассы – биохимические технологии переработки с получением биогаза (анаэробное разложение органического сырья) или жидких биотоплив (процессы сбраживания).

Энергетическая плотность биомассы значительно меньше, чем у угля и нефти, в связи с чем ее транспортировка на значительные расстояния в виде исходного топлива для получения энергии экономически невыгодна. К тому же практически все виды свежей биомассы непригодны для долговременного хранения из-за быстрого разложения. Соответственно, современные технологии энергетического использования биомассы подразделяются на технологии непосредственного получения энергии из биомассы и технологии ее переработки с целью последующего использования.

Прямое сжигание

Прямое сжигание древесины является древнейшей технологией получения энергии. Тепловаяэнергия, получаемая при сжигании биомассы, может использоваться для отопления и горячего водоснабжения, для производства электроэнергии и пара. Главной проблемой, связанной с непосредственным сжиганием биомассы, является низкая эффективность процесса. В случае использования открытого пламени большая часть тепла теряется.

В настоящее время на предприятиях лесной и деревообрабатывающей промышленности для сжигания древесных отходов часто используют котлы, предназначенные для сжигания угля, газа или мазута. При совместном сжигании угля и биомассы уменьшается себестоимость получаемой энергии, за счет использования дешевого сырья, улучшается экологическая ситуация за счет снижения вредных выбросов в атмосферу. Однако коэффициент полезного действия, технические и экологические характеристики таких систем остаются достаточно низкими. Для эффективного сжигания биомассы необходимы специальные котлы, обеспечивающие хорошее использование как газовой, так и углеродной составляющих, образующихся при сгорании топлива.

Качество котла зависит от отношения между энергией, содержащейся в топливе, и энергией, переданной в систему теплоснабжения. Чем выше эффективность котла, тем большая часть энергии топлива будет передана теплоносителю (воде) в котле. Хорошие котлы имеют эффективность 80-90%.

Потребление древесины в котлах обычно находится в диапазоне от 4 кг/час (для котла мощностью 18 кВт) до 18 кг/час (для котла мощностью 80 кВт).

Оборудование для сжигания древесины и древесных отходов, предлагаемое отечественными и зарубежными производителями, может значительно различаться по целому ряду параметров: типу используемого топлива, производительностью, экономичностью, способу подачи топлива (ручное/автоматическое), возможностью ручного или автоматического регулирования процесса горения, виду вы-рабаиываемой энергии (тепловая и/или электрическая) и т.д.

В последние годы для утилизации древесных отходов разработаны специальные топочные устройства, обеспечивающие высокие энергетические и экологические характеристики котлов. В общем случае, древесные отходы являются низкокачественным топливом, так как имеют большой процент влажности – до 90%; содержат минеральные примеси – песок, глину и имеют большой объем, что очень неудобно при транспортировке.

Для сжигания древесных отходов сегодня активно применяются топки низкотемпературного кипящего слоя, позволяющие сжигать биомассу влажностью 60% и более. Для сжигания измельченных древесных и растительных отходов (лузги, опилок, шлифовальной пыли и т.п.) высокую эффективность обеспечивают вихревые топки.

Наиболее перспективным направлением развития технологии использования древесных отходов в энергетических целях является применение котлов с автоматической загрузкой топлива. Применение таких котлов экономически оправдано, если необходимо большое количество теплоты в течение года.

Котлы с автоматической подачей топлива стоят дороже, чем котлы с ручным управлением, однако они обеспечивают значительно более низкие эксплуатационные расходы и обладают более высокой эффективностью.

Для автоматических котлов необходимы специальные дополнительные установки по подготовкетоплива: древесной щепы, гранул или брикетов.