ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ НЕТРАДИЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Фотоэлектрические системы состоят из соединений солнечных панелей, устройства согласования, преобразователя, накопителя энергии. В зависимости от назначения системы преобразователь может быть из постоянного напряжения в постоянное или из постоянного напряжения в переменное. В простейших системах преобразователь может отсутствовать.

Наличие данных по годовой солнечной радиации в месте установки солнечной системы является необходимым начальными условиями для расчета системы. На основе этих данных выбирается оптимальное направление солнечных панелей, их наклон к горизонту и оценивается энергоотдача в течение года и общее количество произведенной энергии.

Накопители

Выходная мощность солнечной батареи постоянно флуктуирует, изменяясь непредсказуемым образом, поэтому необходимо иметь выравнивающий эти колебания накопитель энергии или буферную систему. Задачи накопителя, обусловленные изменением освещенности колебания выходной мощности: запасать энергию при интенсивном солнечном освещении и отдавать ее тогда, когда солнца нет. Существуют различные способы накопления энергии, однако наибольшее распространение нашли электрохимический и механический.

Простейшая схема с аккумулятором Электрохимические накопители в виде аккумуляторных батарей нашли наибольшее распространение. К основным характеристикам аккумуляторной батареи следует отнести: емкость (А·ч), ЭДС (определяется электрохимическим потенциалом отдельного элемента и числом элементов), эффективность (Вт·ч), саморазряд. Важной характеристикой батареи является энергетическая емкость на 1 кг веса. В настоящее время наибольшее распространение нашли кислотно-свинцовые батареи. Для них ЭДС составляет 2 В на элемент (банку), стандартная батарея из шести элементов имеет ЭДС 12 В.

Зависимость напряжения аккумуляторного элемента от степени заряда Напряжение батареи зависит от степени ее заряженности (см. рисунок слева). Если батарея заряжена до 90-95%, то дальнейший ее заряд приводит к повышению напряжения на ней, что связано с газовыделением, поэтому необходимо иметь регулятор напряжения, который бы ограничивал напряжение до 2,4 В (на элементе). С другой стороны, аккумуляторы не должны разряжаться до значений менее 25% от полного заряда, поскольку, если аккумулятор находится в этом состоянии длительный период, то происходит сульфатация пластин, падает емкость батареи, и сокращается срок ее службы. К достоинства батарей этого типа следует отнести их высокую Вт·ч эффективность (89-90%), сравнительно низкую стоимость, небольшой саморазряд. К недостаткам: сравнительно небольшое число циклов полного заряда-разряда, чувствительность к перенапряжениям, невысокие токи заряда-разряда.

Широко распространенные стартовые аккумуляторы не очень подходят для солнечных систем из-за их сравнительно высокого саморазряда и небольшого числа циклов полного разряда. Для солнечных систем разработаны специальные батареи с малым саморазрядом (менее 3% в месяц), низкой потерей воды, эффективностью 85-95%, рассчитанные на температуры окружающей среды от -10° до +55°. Их стоимость выше, чем у обычных батарей (от 200$/кВт·ч).

В транспортных системах иногда используют Ni-Cd аккумуляторные батареи. Для них ЭДС элемента равна 1,2 В. К их достоинствам следует отнести высокую механическую прочность, допустимость глубокого разряда, большое число циклов заряд-разряд, допустимость больших токов заряда, высокую энергоемкость. Недостатки: низкая Вт·ч эффективность (60%), большой саморазряд (10-50% в месяц), ВАХ СЭ и аккумулятора при зарядкевысокая стоимость.

Нагрузочная линия аккумуляторной батареи неплохо подходит к солнечной батарее, однако она не вполне соответствует оптимальной точке и зависит от степени заряженности батареи (см. правый рисунок). Как видно из рисунка, после того, как батарея достигает 100% зарядки, ток заряда падает за счет отклонения рабочей точки от оптимальной, т.е. система солнечная батарея - аккумулятор имеет эффект самоограничения.

Водородные накопители используют электроэнергию для разложения воды. Этот процесс требует невысоких напряжений, что хорошо согласуется с характеристиками солнечных элементов. Произведенный водород накапливается либо под высоким давлением в металлических баллонах, либо в металлогидратах. Обратное преобразование водорода в электричество может быть осуществлено в топливных элементах при взаимодействии кислорода с водородом при электрохимическом процессе обратному электролизу. В перспективе водород может стать альтернативным экологически чистым топливом в энергетике будущего. В настоящее время основное препятствие на пути создания водородной энергетики - низкая эффективность накопления, под которой понимается произведение эффективности генерации электричества и производства водорода.

Механические накопители используют превращение электроэнергии в потенциальную механическую энергию, например, поднимая воду на заданную высоту или осуществляя сжатие воздуха компрессорами. Подъем воды широко используется в небольших солнечных системах. Для мощных систем требуются очень большие объемы воды, которую надо поднимать на значительную высоту. Сжатие воздуха и закачка его, например, в подземные резервуары под высоким давлением, процесс более сложный, однако он обеспечивает большую концентрацию энергии и более перспективен, чем гидронакопление.

Электросетевое накопление заключается в том, что в период высокой солнечной активности вырабатываемое солнечными панелями электричество преобразуется в сетевой стандарт (220 В, 50 Гц) и передается в электросеть, откуда поступает потребителям. При этом в солнечные дни уменьшается расход топлива на электростанциях, сэкономленное топливо расходуется ночью или в те дни, когда солнечная активность низкая. В этом случае электросеть может рассматриваться как некоторый накопитель с почти неограниченной емкостью.


Продолжение темы