Фотоэлектрические станции: перспективы, достоинства, недостатки и особенности работы

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Российская Федерация расположена между 41 и 82 градусами северной широты, где уровень солнечной радиации изменяется в широких пределах от 810 кВт.ч/м2 в год в отдаленных северных районах до 1400 кВт.ч/м2 в год в южных районах.

Высокий теоретический (валовый) потенциал солнечной энергии на юго-западе России (Северный Кавказ, район Темного и Каспийского морей) и в Южной Сибири, а также на Далеком Востоке.

По данным Института Энергетической стратегии, теоретический потенциал солнечной энергетики в РФ составляет более 2,3 млрд тонн условного топлива, а экономический потенциал 12,5 млн. т.у.т. Потенциал солнечной энергии, поступающей на территорию РФ в течение 3-х дней, превосходит энергию годового производства электроэнергии в нашей стране.

В 2008 - 2010 годы мир прошел пик добычи органического топлива. С этого времени добыча углеводородного сырья постепенно уменьшается (до 7% в год). Поэтому с 2020 - 2025 годов нефть и газ уже не будут массово использовать как топливо, и человечество вынуждено будет переходить полностью на нетрадиционные, в том числе возобновляемые, источники энергии.

По разным прогнозам, процент обеспечения потребностей человечества к 2050 году электроэнергией от солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС) может достичь уровня 80 %.

В настоящее время Россия отстаёт от уровня генерации энергии возобновляемыми источниками от европейских стран. Доля солнечной генерации составляет менее 0,001 % в общем энергобалансе.

Таким образом, анализ научно-технической литературы показал, перспективным направлением в вопросах энергосбережения и повышения эффективности электроснабжения потребителей отдалённых от внешних сетей в России является применение СФЭС.

Наибольшее распространение получили солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ) на основе кремния трех видов: монокристаллического, поликристаллического и аморфного.

Сегодня известно, что для фотопреобразователей из монокристаллического кремния в лабораторных условиях на опытных образцах достигнут КПД 24%. Для поликристаллического кремния эти значения равны приметно 17%, для аморфного кремния на опытных модулях достигнуты КПД около 11 %. Все эти данные соответствуют однослойным фотоэлементам. В настоящее время известны двух- и трехслойные фотоэлементы, которые позволяют использовать большую часть солнечного спектра по длине волны солнечного излучения. Для двухслойного фотоэлемента на опытных образцах получен КПД 30%, а для трехслойного 35-40%.

Основными достоинствами СФЭУ и, соответственно, солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС) являются:

1) повсеместная распространенность на Земле;

2) неограниченность ресурсов;

3) энергия, получаемая от солнечных электростанций, бесплатная;

4) высокий срок службы (более 30 лет);

5) экологическая чистота;

6) низкий уровень эксплуатационных затрат.

Основными недостатками СФЭС являются:

1) низкий общий КПД, который зависит от КПД фотоэлементов и инверторов;

2) высокая стоимость (фотоэлементов и аккумуляторных батарей).

Эти недостатки приводят к тому, что в настоящее время стоимость электроэнергии, вырабатываемую с помощью СФЭС, превышает стоимость электроэнергии, вырабатываемую от традиционных источников электроэнергии.

Однако поскольку удельная стоимость солнечной электростанции не зависит от её размеров и мощности, в ряде случаев целесообразно размещение фотоэлемент СФЭС на крыше домов, коттеджей, ферм и т. п.. В этом случае собственнику СФЭС необходимо продавать электроэнергию энергосистеме в дневное время, и покупать её у энергетической компании в ночные часы. Преимущества такого подхода использования связаны с экономией на опорных конструкциях и площади земли, а также совмещение функции крыши и источника энергии.

Учитывая, что 1 кг кремния в солнечном элементе вырабатывает за 30 лет 300 МВт ч электроэнергии, легко подсчитать нефтяной эквивалент кремния. Прямой пересчет электроэнергии 300 МВт ч с учетом теплоты сгорания нефти 43,7 МДж/кг даёт 25 т нефти на 1 кг кремния. Если принять КПД тепловых электростанций, работающей на мазуте, 33%, то 1 кг кремния по вырабатываемой электроэнергии эквивалентен примерно 75 тоннам нефти.

В связи с высокой надежностью срок службы СФЭС по основной компоненте - кремнию и солнечным элементам может быть увеличен до 100 лет. Единственным ограничением может явиться необходимость их замены на более эффективные элементы, поскольку КПД до 30% будет достигнут в производстве в ближайшее время. В случае замены солнечных элементов кремний может быть использован повторно и количество циклов его использования не имеет ограничений во времени.

Основными компонентами СФЭУ являются солнечные батареи (модули); аккумуляторные батареи; автономные инверторы. Наибольшее распространение получили солнечные батареи, выполненные на монокристаллических или поликристаллических кремниевых элементах.

Солнечные батареи, как правило, разрабатываются на номинальное напряжение 12 В, а их мощность на 1 м2 находится в пределах 100-350 Вт.

Электрические параметры солнечных батарей представляются в виде вольтамперной характеристики, 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 1).

Рисунок 1 - Вольтамперная характеристика солнечной батареи

аккумуляторный инвертор фотоэлектрический солнечный

На рисунке 1 также приведена кривая мощности, отбираемой от солнечной батареи в зависимости от напряжения нагрузки. Номинальная мощность модуля определяется как наибольшая мощность при стандартных условиях.

На СФЭУ нашли применение электрохимические аккумуляторы, которые являются источником электроэнергии в тёмное время суток. Основными условиями по выбору аккумуляторных батарей являются: стойкость к циклическому режиму работы (заряд - разряд); способность выдерживать глубокий разряд; низкий саморазряд; долговечность; простота в обслуживании.

Основными достоинствами аккумуляторных батарей являются:

- длительный срок службы -15 лет;

- стойкость к циклическому режиму - более 1000 циклов;

- отсутствие необходимости обслуживания на протяжении срока службы;

- не требуют обслуживания в период срока службы;

- саморазряд составляет приблизительно 3% в месяц.

Для преобразования постоянного тока аккумуляторной батареи в переменный синусоидальной формы применяется инвертор. Инверторы разделяются на два типа:

- инверторы для автономных систем;

- инверторы для сетевого применения.

Главное отличие инверторов в работе схемы управления. Первый тип имеет генератор эталонной частоты (генератор опорного сигнала), а второй должен работать синхронно с промышленной сетью (и в качестве генератора частоты используется сама сеть). Для всех типов инверторов основной электрический параметр - КПД который находится в пределах 85 -92 %.

Выходное напряжение автономных инверторов в большинстве случаев составляет 220 В (50/60 Гц). Инверторы мощностью от 10 до 100 кВт, как правило, выполняются трёхфазными на напряжение 380 В. Все автономные инверторы преобразуют напряжение постоянного тока аккумуляторных батарей напряжением 12, 24, 48 и 120 В. Чем больше входное напряжение, тем проще инвертор и тем выше его КПД. При больших напряжениях значительно меньше потери на передачу энергии от солнечных батарей к аккумуляторной батарее, но при этом усложняется конструкция солнечных батарей и их эксплуатация при повышенных напряжениях (выше 40 В).

К качеству выходного напряжения автономных инверторов предъявляются менее жесткие требования. Если позволяет нагрузка в составе СФЭУ применяются автономные инверторы с трапециидальным выходным напряжением. Что важно, такие инверторы в 2...3 раза дешевле инверторов с синусоидальным выходным сигналом. Важный параметр автономных инверторов - зависимость КПД от мощности нагрузки. Известно, что КПД должен не значительно уменьшаться при подключении нагрузки в десять раз меньшей (по потребляемой мощности), чем номинальная мощность инвертора. В идеальном случае к автономным инверторам предъявляются следующие требования:

- способность выдерживать перегрузки;

- низкие потери электроэнергии при малых нагрузках и на холостом ходу;

- обеспечивать стабилизацию выходного напряжения;

- высокий КПД;

- отсутствие электромагнитных помех, создаваемых силовыми электронными приборами.

Известно, что в зависимости от назначения потребителя, требований к качеству электроэнергии различают три типа СФЭС: автономные; резервные; работающие с сетью. В удаленных районах, где нет централизованного электроснабжения, СФЭС используется для электроснабжения отдельных потребителей. В таких станциях производимая электроэнергия потребляется нагрузкой и одновременно аккумулируется в батареях для использования в темное время суток или в период слабой солнечной радиации.

Все типы СФЭС имеют общую структуру и содержат (рисунок 2): фотоэлектрические модули (ФЭМ); контроллер заряда (КЗ), который служит для защиты аккумуляторных батарей от избыточной подзарядки, а также от избыточной разрядки в ходе использования; систему аккумуляции (СА) которая содержит аккумуляторные батареи, емкость которых полностью обеспечивает требуемый уровень автономности в отношении электроснабжения подключенной нагрузки; инвертор (И); нагрузка (Н).

Резервные СФЭУ применяются если есть ввод от сети централизованного электроснабжения. В случае отключения сети или недостаточного сетевого напряжения в работу включаются СФЭУ. Малые резервные СФЭУ применяются для электроснабжения ответственных потребителей электроэнергии, перерыв в электроснабжении которых может провести к сбою в работе компьютерной техники, технологических процессов и т. п. Чем больше мощность, необходимая для электроснабжения ответственных потребителей, и чем дольше периоды отключения сети, тем больше необходима мощность СФЭС.

Рисунок 2 - Структурная схема подключения СФЭС (автономные, резервные, работающие с сетью)

Если СФЭУ подключена к сети централизованного электроснабжения, избыток электрической энергии целесообразно продавать электросетям, если есть соответствующий закон, позволяющий это делать.

Для повышения надёжности работы СФЭС необходимо их конструировать по модульному принципу. Практически солнечные батареи - это отдельные модули. Целесообразно также применять типовые аккумуляторные батареи, которые также представляют отдельный модульный функциональный блок. Модульное агрегатирование необходимо также применить для автономных инверторов, где в качестве функциональных модульных элементов представить входные и выходные фильтры, силовую электронную схему и систему стабилизации напряжения и защиты.

Значительно повысить показатели надёжности автономных инверторов и СФЭУ в комплексе можно за счёт применения в их конструкции однофазно-трёхфазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем.

Таким образом, рассмотренные в статье достоинства и недостатки, особенности работы СФЭС позволят в перспективе разрабатывать их структурно-схемные решения с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками.

Размещено на Allbest.ru