- •ВВЕДЕНИЕ
- •ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И КЛИМАТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ
- •1.2. Основные направления экологической политики при развитии ТЭК
- •1.3. Место возобновляемых источников энергии в удовлетворении энергетических потребностей человека
- •ГЛАВА 2. ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
- •2.1. Конструкции ветроэнергетических установок
- •2.2. Параметры ветрового потока
- •2.3. Основы теории ветроэнергетических установок
- •2.4. Ветродизельные комплексы
- •2.5. Производители оборудования ВЭУ
- •ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА
- •3.1. Физические процессы преобразования солнечной энергии
- •3.2. Солнечные батареи
- •3.3. Солнечные коллекторы
- •3.4. Электростанции на солнечных батареях
- •3.5. Солнечные тепловые электростанции
- •ГЛАВА 4. МАЛАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКА
- •4.1. Микрогидроэлектростанции
- •4.2. Системы стабилизации параметров микро-ГЭС
- •4.3. Оборудование и конструктивные особенности микро-ГЭС
- •ГЛАВА 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ОКЕАНОВ И МОРЕЙ
- •5.1. Энергия и мощность волны
- •5.2. Устройства для преобразования энергии волн
- •5.3. Приливные электростанции
- •ГЛАВА 6. ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
- •6.1. Источники геотермального тепла
- •6.2. Способы и методы использования геотермального тепла
- •6.4. Использование геотермальных тепловых насосов
- •ГЛАВА 7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ БИОМАССЫ
- •7.1. Рациональное использование биомассы для производства энергии
- •7.2. Электростанции, использующие химическую энергию биомассы
- •7.3. Топлива, получаемые из биомассы
- •7.4. Энергетическое использование твердых бытовых отходов
- •ГЛАВА 8. ЭКОНОМИКА ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
- •8.1. Методика определения технико-экономических характеристик ветроэлектростанций
- •8.2. Технико-экономические характеристики солнечных электростанций
- •8.3. Технико-экономические характеристики автономных микро-ГЭС
- •8.4. Технико-экономические характеристики электростанций, использующих биотопливо
- •Библиографический список
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
|
|
Мощность модуля, кВт |
Ток модуля, А |
||
|
|
|
Напряжение модуля, В
Рис. 3.9. Энергетическая характеристика фотоэлектрического модуля
Некоторые нагрузки, такие как нагреватели, имеют постоянное сопротивление, и потребляемая ими мощность зависит от квадрата напряжения. С другой стороны, мощность, потребляемая двигателями, в большей степени зависит от тока, чем от напряжения. Таким образом, в больших системах со смешанной нагрузкой изменение мощности приблизительно пропорционально изменению напряжения.
3.2. Солнечные батареи
Большинство фотоэлементов представляют собой кремниевые полупроводниковые фотодиоды (рис.3.10). Между p- и n- полупроводниками прокладывается фольга, для того чтобы нижняя часть фотоэлектрической ячейки оставалась в тени. Для преобразования светового потока в электрический ток металлические контакты устанавливаются с обеих сторон. Верхний контакт представляет собой металлическую сетку, интервал волокон в которой выбирают исходя из компромисса между максимизацией электрической проводимости и уменьшением сопротивления световому потоку (рис. 3.11, 3.12). Также лицевая часть ячейки имеет антирефлексивное покрытие для сокращения отражения. Механическая защита обеспечена защитным остеклением.
Первые фотодиоды были изготовлены в 1954 году. Технология их производства быстро совершенствуется. В настоящее время сформировано общественное мнение, что солнечные элементы получили наибольшее распространение в космической отрасли. Однако это далеко не так, и по-
77
лупроводниковые солнечные элементы в ряде развитых стран широко используются в промышленности и быту.
|
|
фронтальный |
|
|
|
|
|
отражение |
|
|
|
||||
|
|
контракт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n-область |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
разде- |
|
|
|
разделение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
р-область |
|
ление |
||||||
|
|
|
зарядов |
|
|
|
|
|
|
|
|
зарядов |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
рекомбинация |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Задний контакт |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
передача |
|
|
Рис. 3.10. Физика фотоэлектрической ячейки
отрицательный
электрон
примеси
кремния
|
|
|
граничный слой |
|
|
|
|
примеси |
|
|
|
|
||
положительный |
|
|
||
электрод |
|
кремния |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.11. Структура солнечного элемента с p-n переходом
Полная стоимость солнечной батареи с 1974 по 2003 год упала со 100 до 2,5 долл. США на 1 Вт установленной мощности и продолжается дальнейшее снижение цены [7]. Однако даже при полной стоимости эле-
78
ментов 2,5 долл. США за 1 Вт при суточной облученности 20 Мдж/м2 и долговечности фотоэлементов около 20 лет стоимость электроэнергии составляет примерно 12 центов США за 1 кВт∙ч. При такой стоимости электроэнергии солнечные батареи могут конкурировать с дизельгенераторными установками, особенно в удаленных районах, где стоимость доставки топлива и обслуживания достаточно высока.
Основная область применения солнечных батарей связывается с осветительными системами, системами водоснабжения, удаленными станциями радиосвязи, маяками, дорожными знаками и космическими аппаратами.
полимерная пленка
алюминиевый |
|
|
кремний |
|
цинковый |
контакт |
|
|
n+, i, p+ |
|
фронтальный |
|
|
|
|
|
контакт |
|
|
|
лицевая сторона |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.12. Схема устройства промышленного солнечного элемента
Батарея солнечных элементов обычно представляет собой комбинацию соединенных параллельно модулей. Солнечная ячейка, описанная выше, основной стандартный блок фотоэлектрической системы. Как правило, размер такой ячейки – несколько квадратных миллиметров, а снимаемая мощность – около 1 ватта. Для получения большей мощности несколько таких ячеек соединяют в последовательные схемы и размещают на модуле размером несколько квадратных дециметров (рис. 3.13).
Рис. 3.13 Модули из последовательно соединенных фотоэлементов
Солнечные батареи или панели представляют собой группы из нескольких модулей, электрически связанных в последовательнопараллельные комбинации для получения требуемых мощности и напряжения (рис. 3.14, 3.15). Солнечные панели могут быть уложены в различные каркасы (рис. 3.16). При установке панель находится в каркасе, кото-
79
рый может быть положен непосредственно на крышу. В недавно разработанной аморфной кремниевой технологии солнечные панели выполнены в виде черепицы, которая может заменить традиционную черепицу для крыши.
Главными факторами, влияющими на электрическое исполнение солнечных панелей, являются:
–интенсивность солнечного излучения;
–угол солнечных лучей;
–величина нагрузки;
–рабочая температура.
Рис. 3.14. Солнечная батарея из параллельно соединенных модулей
Выходные диоды
модуль
Рис. 3.15. Солнечная батарея из последовательно-параллельных комбинаций модулей
Величина светового потока максимальна в ясный солнечный день. При наличии небольшой облачности световой поток уменьшается прямо пропорционально уменьшению интенсивности солнечного излучения.
Вольт-ампер-ная характеристика сдвигается вниз при снижении интенсивности солнечного излучения (рис. 3.7).
80
Рис. 3.16. Солнечные панели, уложенные на каркасе
Эффективность преобразования фотоэлектрической ячейкой энергии светового потока в электроэнергию (конверсионная эффективность) нечувствительна к солнечной радиации в рабочем диапазоне. Как видно из рис. 3.17, эффективность преобразования фактически не меняется на участке, где солнечная радиация повышается от 500 до 1000 Вт/м2. Это означает, что конверсионная эффективность будет практически одинаковой как в ясный солнечный, так и в ненастный день. Поэтому выдаваемая ячейкой мощность в облачный день снизится только из-за более низкой солнечной энергии, попадающей на ячейку.
Эффективность |
фотопреобразования, % |
100
80
60
40
20
0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Солнечная радиация, Вт/м3
Рис. 3.17. Зависимость эффективности фотопреобразования от интенсивности солнечного излучения
81
Ячейка выдает ток нагрузки по закону I = I0 cos θ, где I0 – ток, который выдает ячейка при расположении ее плоскости перпендикулярно к падающим лучам, θ – угол падения солнечных лучей, отложенный от нормали (рис. 3.18). Этот закон дает приемлемый результат для θ от 0 до 50º. При увеличении θ более 50º значения выходных параметров значительно отклоняются от косинусоидальной зависимости, а при θ = 85º ячейка не генерирует никакой мощности. Фактическую зависимость генерируемой ячейкой мощности от угла солнечных лучей называют косинусом Kelly (табл. 3.1).
Рис. 3.18 . Угол падения солнечных лучей на фотоэлектрическую ячейку θ
|
|
Таблица 3.1 |
Значение cos Kelly для кремниевой ячейки |
||
Угол падения |
Математическое |
Значение cos Kelly |
солнечных лучей θ, град |
значение cos θ |
|
30 |
0,866 |
0,866 |
50 |
0,643 |
0,635 |
60 |
0,5 |
0,45 |
80 |
0,174 |
0,1 |
85 |
0,087 |
0 |
Солнечная панель может включать множество параллельно связанных цепей из последовательно соединенных ячеек. Если ячейка в последовательной цепи полностью затенена, то она перестает генерировать напряжение, но из-за последовательной связи с освещенными ячейками по ней продолжает протекать ток. Так как затененная ячейка не генерирует напряжение и имеет внутреннее сопротивление, она из источника превращается в потребителя мощности. Потребляемая мощность разогревает затененную ячейку. Оставшиеся в последовательной цепи освещенные ячей-
82
ки должны выдавать большее напряжении, чтобы компенсировать падение напряжения в затененной ячейке. Увеличение выходного напряжения вызывает падение выходного тока в соответствии с вольт-амперной характеристикой (рис. 3.7). Снижение выходного тока не пропорционально затененной площади и может быть допустимым при умеренной тени небольшой площади. Однако при площади тени больше критического предела напряжение последовательной цепи достигает такого значения, при котором величина выходного тока снизится до нуля. А значит, последовательная цепь перестанет генерировать мощность.
Для устранения недостатка, связанного с теневым эффектом, длинную последовательную цепь делят на несколько коротких участков при помощи обходных диодов (рис.3.19). Таким образом, затененная область не обтекается током, а снижение суммарного напряжения последовательной цепи вызывает пропорциональное снижение выходного тока. В результате теряется не вся мощность последовательной цепи, а только ее часть. Некоторые современные солнечные панели выпускаются с уже установленными обходными диодами.
Модуль
солнечной
батареи
Обход- |
|
|
|
Обход- |
|
ной диод |
|
ной диод |
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.19. Схема подключения обходных диодов в последовательный ряд модулей
С ростом температуры ток короткого замыкания увеличивается, а напряжение холостого хода уменьшается (рис. 3.7).Увеличение рабочей температуры ячейки на 1ºС приводит к снижению выдаваемой мощности на 0,45 %. Так как увеличение тока много меньше уменьшения напряжения, то при больших температурах ячейка генерирует меньшую мощность.
При небольшой облачности солнечные панели могут выдавать до 80 % от своей максимальной мощности. Даже в чрезвычайно пасмурный день
83