3.1. Достоинства солнечной электроэнергетики

Перспективы развития

Энергия Солнца экологически чистая уже потому, что миллиарды лет поступает на Землю, и все земные процессы с ней свыклись. Поток солнечной энергии люди просто обязаны взять под свой контроль и максимально использовать, сохраняя тем самым неизмененным уникальный земной климат.

Несколько ключевых цифр. За год на Землю приходит 1018 кВт-ч солнечной энергии, всего 2 % которой эквивалентны энергии, получаемой от сжигания 2х10¹² т условного топлива. Эта величина сопоставима с мировыми топливными ресурсами — 6х10¹² т условного топлива. Так что в перспективе солнечная энергия вполне может стать основным источником света и тепла на Земле, отмечает доктор физико-математических наук Б. Лучков (http://www.pomreke.ru/energy-futxire/).

Причина медленного развития солнечной энергетики проста: средний поток радиации, поступающий на поверхность Земли от нашего светила, очень слаб.

 Пример.

Например, на широте 40° он составляет всего 0,3 кВт/м² — почти в пять раз меньше того потока, который приходит на границу атмосферы (1,4 кВт/м²). К тому же он зависит от времени суток, сезона года и погоды.

Чтобы усилить поток солнечной энергии, надо собирать ее с большой площади с помощью концентраторов и запасать впрок в аккумуляторах. Пока это удается сделать в так называемой малой энергетике, предназначенной для снабжения светом и теплом жилых домов и небольших предприятий.

Среди солнечных электростанций (СЭС), способных обеспечить электроэнергией, например, небольшой завод, более других распространены СЭС башенного типа. Эти СЭС имеют котел, поднятый высоко над землей, и большое число параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных вокруг основания башни.

Зеркала, поворачиваясь, отслеживают перемещение Солнца и направляют его лучи на паровой котел. Вырабатываемый котлом пар, так же как на тепловых электростанциях, приводит в действие турбину с электрогенератором.

Солнечные электростанции мощностью 0,1—10 МВт построены во многих странах с «хорошим» солнцем (США, Франция, Япония). Не так давно появились проекты более мощных солнечных электростанций (до 100 МВт).

 Примечание.

Главное препятствие на пути их широкого распространения солнечных электростанций — высокая себестоимость электроэнергии: она в 6–8 раз выше, чем на ТЭС

Но с применением более простых по конструкции, а значит, и более дешевых гелиостатов себестоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными электростанциями, должна существенно снизиться.

Фототермические и фотоэлектрические преобразователи света

Существуют два основных способа преобразования солнечной энергии:

♦ фототермический;

♦ фотоэлектрический.

В первом, простейшем, фототермическим, теплоноситель (чаще всего вода) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и используется для отопления помещений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) — тепловыми аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) — химическими.

Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1 м² за день может нагреть 50–70 л воды до температуры 80–90 °C.

Использование солнечных коллекторов позволяет снабжать горячей водой многие дома в южных районах.

 Примечание.

И все же будущее солнечной энергетики за прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов — солнечных батарей.

Еще в 30-х годах прошлого века, когда КПД первых фотоэлементов едва доходил до 1 %, об этом говорил основатель Физико-технического института (ФТИ) академик А. Ф. Иоффе. Предвидение ученого воплотилось в жизнь в конце 1950-х годов с запуском искусственных спутников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей. Сейчас во всех странах мира идет активная продажа солнечных батарей.

Солнечные элементы — принципы работы

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Устройство солнечного элемента показано на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Устройство солнечного элемента

Типы солнечных элементов. СЭ может быть следующих типов:

♦ монокристаллический;

♦ поликристаллический;

♦ аморфный.

Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные СЭ имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, который выше, чем у СЭ, изготовленных из аморфного кремния (http://www.solarhome.ru/ru/basics/).

Прежде всего, в СЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния разной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характерный синий оттенок.

В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные СЭ из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются.

КПД солнечных элементов:

♦ монокристаллические — 12…15 %;

♦ поликристаллические — 11…14 %;

♦ аморфные — 6…7 %;

♦ теллурид кадмия — 7…8 %.

Пиковый ватт. СЭ производит электричество, когда освещается светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м²), солнечный элемент производит больше или меньше электричества: яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень более предпочтительна, чем электрический свет.

Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выращенная в ваттах пиковой мощности W_p, — это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях.

Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях (СТУ). Эти условия предполагают:

♦ освещенность 1000 Вт/м²;

♦ солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света);

♦ температура элемента 25 °C (это важно, так как эффективность СЭ падает при повышении его температуры).

 Пример.

Кристаллический кремниевый СЭ с размерами 10х10 см имеет пиковую мощность примерно 1,5 W_p. Большинство панелей с площадью 1 м², если они сделаны из кристаллических кремниевых элементов, имеют номинальную мощность около 100 Вт_пик.

Фотоэлектрические модули

Солнечные панели состоят из солнечных элементов. Так как один солнечный элемент не производит достаточного количества электроэнергии для большинства применений, солнечные элементы собираются в солнечных модулях для того, чтобы производить больше электричества.

Солнечные панели (также называемые фотоэлектрические или солнечные модули) производятся многих типов и размеров. Наиболее типичные — это кремниевые фотоэлектрические модули мощностью 40—160 W_p (пиковый ватт, т. е. мощностью максимум в 40—160 Вт при ярком солнце). Такой солнечный модуль имеет размер от 0,4 до 1,6 м².

Однако, широкий типоразмерный ряд солнечных модулей доступен в продаже. Солнечные панели (PV panels) могут соединяться между собой солнечные батареи (arrays) для того, чтобы получить большую мощность. Например, 2 модуля по 50 W_p, соединенных вместе, эквивалентны модулю мощностью 100 W_p.

КПД доступных в продаже модулей варьируется в пределах 5—15 %. Это значит, что 5—15 % от количества энергии, падающей на солнечный элемент, будет трансформировано в электричество. Исследовательские лаборатории во всем мире разрабатывают новые материалы для СЭ с более высоким КПД (до 30 %). Стоимость производства также очень важна. Некоторые новые технологии (такие как, например, тонкопленочные), позволяют производить СЭ в больших масштабах, что значительно снизит стоимость элементов и модулей

Сколько прослужат солнечные батареи?

Солнечные батареи были испытаны в полевых условиях на многих установках. Практика показала, что срок службы солнечных батарей превышает 20 лет. Фотоэлектрические станции, работающие в Европе и США около 25 лет, показали снижение мощности модулей примерно на 10 %.

Таким образом, можно говорить о реальном сроке службы солнечных монокристаллических модулей 30 и более лет. Поликристаллические модули обычно работают 20 и более лет. Модули из аморфного кремния (тонкопленочные, или гибкие) имеют срок службы от 7 (первое поколение тонкопленочных технологий) до 20 (второе поколение тонкопленочных технологий) лет.

Более того, тонкопленочные модули обычно теряют от 10 до 40 % мощности в первые 2 года эксплуатации. Поэтому, около 90 % рынка фотоэлектрических модулей в настоящее время составляют кристаллические кремниевые модули.

Другие компоненты системы имеют различные сроки службы: аккумуляторные батареи имеют срок службы от 2 до 15 лет, а силовая электроника — от 5 до 20 лет.

Вольтамперная характеристика солнечной батареи

Солнечный модуль может работать при любой комбинации напряжения и тока, расположенным на его вольтамперной характеристике (ВАХ). Однако в реальности модуль работает в одной точке в данное время. Эта точка выбирается не модулем, а электрическими характеристиками цепи, к которой данный модуль (или солнечная батарея) подключен (рис. 3.2).

Рис 3.2. Важные точки вольтамперной характеристики, которые характеризуют солнечный модуль

Напряжение, при котором ток равен 0, называется напряжением холостого хода (V_oc). С другой стороны, ток, при котором напряжение равно 0, называется током короткого замыкания (I_sc). В этих крайних точках ВАХ мощность модуля равна 0. На практике, система работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность.

Лучше сочетание называется точкой максимальной мощности (ТММ, или МРР). Соответствующие напряжение и ток обозначаются как V_p (номинальное напряжение) и I_р (номинальный ток). Именно для этой точки определяются номинальная мощность и КПД солнечного модуля.

Можно найти все эти параметры — (V_oc, I_sc, МРР, V_p, I_p) — на шильдике или прилагаемых к модулю характеристиках (заметьте, что V_p и I_p также называются номинальными значениями.

 Примечание.

Однако не рассчитывайте получить номинальную мощность от вашей солнечной батареи — почти невозможно, чтобы собранная система работала все время в точке максимальной мощности. Кроме изменений освещенности, на вырабатываемую мощность влияет температура солнечной батареи: чем выше температура солнечной батареи, тем ниже ее мощность.

Готовые фотоэлектрические системы электроснабжения

Возможно создание системы электроснабжения на солнечных батареях различной сложности. Наиболее простая система имеет на выходе низкое напряжение постоянного тока (обычно 12 или 24 В). Такие системы применяются для обеспечения работы освещения и небольшой нагрузки постоянного тока в доме — радио, телевизор, ноутбук, магнитофон и т. п. Можно использовать различные автомобильные аксессуары, вплоть до холодильников.

 Внимание.

При этом необходима прокладка отдельной проводки постоянного тока со специальными розетками и вилками, которые исключают неправильную полярность подключения.

При подключении светильников с лампами постоянного тока необходимо также соблюдать полярность и следить за тем, чтобы при замене ламп они имели такую же полярность подключения, как и те, которые использовались ранее. В противном случае возможен выход из строя ваших потребителей.

Типовая схема такой системы приведена на рис. 3.3. Обычно такие системы применяются, если максимальное расстояние от аккумулятора до самой дальней подключенной нагрузки не превышает 10–15 м, а ее мощность — не более 100 Вт.

Рис. 3.3. Типовая схема простейшей системы

При этом надо следить за тем, чтобы падение напряжения при всех включенных потребителях в самой дальней точке было в пределах допустимого (обычно не более 10 %). Для правильного выбора сечения провода вы можете воспользоваться справочной информацией по выбору сечения провода исходя из допустимого падения напряжения на участке электропроводки.

Если у вас нагрузка превышает указанные рекомендованные максимальные значения, или потребители электроэнергии находятся на значительном расстоянии от аккумулятора, необходимо добавить в систему инвертор.

 Определение.

Инвертор— это преобразователь постоянного тока низкого напряжения от аккумуляторов в 220 В переменного тока.

В этом случае вы сможете питать практически любую бытовую нагрузку суммарной мощностью, не превышающей мощность инвертора.

Система электроснабжения автономного дома с выходом переменного и постоянного тока на базе фотоэлектрической солнечной батареи включает в себя практически те же компоненты, что и схема на рис. 3.3, плюс контроллер заряда аккумуляторной батарея, а именно:

♦ солнечная батарея необходимой мощности;

♦ контроллер заряда аккумуляторной батареи, который предотвращает губительные для батареи глубокий разряд и перезаряд;

♦ батарея аккумуляторов (АБ);

♦ инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный;

♦ энергоэффективные нагрузки переменного тока.

 Совет.

Для обеспечения надежного электроснабжения необходим резервный источник электропитания. В качестве такого источника может быть небольшой (2–6 кВт) бензо- или дизельэлектрогенератор.

Введение такого резервного источника электроэнергии резко сокращает стоимость солнечной батареи из-за отсутствия необходимости рассчитывать ее на худшие возможные условия (несколько дней без солнца, эксплуатация зимой и т. п.)

В этом случае в систему также вводится зарядное устройство для быстрого заряда (в течение нескольких часов) АБ от жидкотопливного электрогенератора. Возможно применение блока бесперебойного питания, в котором возможность заряда АБ уже встроена.

Рассмотрим пример комплектации фотоэлектрической системы электроснабжения. На рис. 3.4 приведен вариант системы для электроснабжения удаленного жилого дома.

Рис 3.4. Система электроснабжения жилого дома

Принимаются следующие исходные данные:

♦ суточное потребление энергии 3 кВт∙ч (среднестатистические данные по России);

♦ приход солнечной радиации — 4 кВт∙ч/м² в день (средний приход солнечной радиации для европейской части России летом);

♦ максимальная пиковая мощность нагрузки — 3 кВт (можно одновременно включить стиральную машину и холодильник);

♦ для освещения используются только компактные люминесцентные лампы переменного тока;

♦ в пиковые часы (максимальная нагрузка, например, когда включены стиральная машина, электрокипятильник, утюг и т. п.) для предотвращения быстрого разряда АБ включается бензиновый или дизельный электрогенератор.

 Примечание.

Генератор также будет включаться при пасмурной погоде, если АБ разряжается до нижнего допустимого напряжения.

Возможно включение генератора как в ручном режиме, так и полностью в автоматическом. В последнем случае система также должна включать модуль автоматического запуска и останова генератора, а сам генератор должен быть немного доработан для возможности подключения системы автоматики.

Бели необходимо минимизировать время работы жидкотопливного электрогенератора с целью сохранения топлива, солнечная фотоэлектрическая система электроснабжения будет состоять из элементов со следующими параметрами:

♦ пиковая мощность солнечной батареи равна 1000 Вт (выработка до 5 кВт∙ч сутки);

♦ минимальная номинальная мощность инвертора — 2 кВт с возможностью кратковременной нагрузки до 4 кВт, входное напряжение 24 или 48 В;

♦ аккумуляторная батарея общей емкостью 800 А∙ч (при напряжении 12 В), что позволяет запасать до 4,5 кВт∙ч электроэнергии при 50 % разряде АБ);

♦ контроллер заряда на ток до 40–50 А (при напряжении 24 В);

♦ дизель или бензогенератор мощностью 3–5 кВт;

♦ зарядное устройство для заряда АБ от бензогенератора на ток до 150 А (может быть встроено в инвертор;

♦ кабели и коммутационная аппаратура (выключатели, автоматы, разъемы, электрощиты и т. п.)

Примечание.

Стоимость такой системы при существующих ценах на комплектующие будет около от 400 до 700 тысяч рублей.

Если допустимо увеличение времени работы дизель-генератора, стоимость системы можно снизить за счет его более частого включения. В этом случае:

♦ энергия от солнечной батареи будет использоваться для электроснабжения минимальной нагрузки — освещение, радио, телевизор;

♦ генератор будет включаться несколько раз в день, в зависимости от выбранной емкости АБ.

При этом начальная стоимость системы снижается как за счет уменьшения пиковой мощности солнечной батареи, так и за счет снижения емкости АБ.

Такая оптимальная система для электроснабжения жилого дома может состоять из следующих компонентов:

♦ солнечной батареи с пиковой мощностью 300–400 Вт;

♦ инвертора мощностью 2–4 кВт, входное напряжение 24 или 48 В;

♦ аккумуляторная батарея общей емкостью 400–600 А∙ч (при напряжении 12 В);

♦ контроллер заряда на ток до 40–50 А (при напряжении 24 В);

♦ дизельгенератор мощностью 4–6 кВт;

♦ зарядное устройство для заряда АБ от бензогенератора на ток до 150 А;

♦ кабели и коммутационная аппаратура (выключатели, автоматы, разъемы, электрощиты).

 Примечание.

Стоимость такой системы при существующих ценах на комплектующие будет около 300–500 тысяч рублей.

При этом необходимо учитывать, что возрастут эксплуатационные расходы за счет большего расхода топлива.