Солнечные тепловые электростанции (СТЭС)

В настоящее время наибольшее распространение получили

три типа СТЭС:

· башенного типа (БТ) с центральным приемником — паро­генератором, на теплоприемной поверхности которого кон­центрируется солнечное излучение от плоских зеркал — гелиостатов;

· модульного типа (МТ), у которых в фокусе параболоцилинд-рических концентраторов (ПЦК) размещены вакуумирован-ные приемники — трубы с теплоносителем (парогенераторы);

Глава 3

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА

 

· комбинированные (КТ); это солнечно-тепловые СТЭС, в кото­рых чисто солнечная ЭС того или иного типа (БТ или МТ) объединяется с теплоэлектростанцией.

Практические работы по созданию первых эксперименталь­ных СЭС БТ начались одновременно в ряде стран мира в середи­не 70-х годов.

В нашей стране основные технические концепции крупных экспериментальных СЭС БТ были разработаны в 50-е годы. Од­нако первая опытная СЭС БТ электрической мощностью 5 МВт была пущена в эксплуатацию в 1987 г. (Крымская область). Эта СЭС может вырабатывать в год около 7 млн кВт-ч электроэнер­гии (эквивалент 2 тыс тут.).

С 1983 г. в ряде стран — США, Японии, Франции, Италии, Испании — проходили испытания (натурные экспериментальные исследования и сравнение различных технологий, первые СЭС БТ мощностью 0,5... 10 МВт). К ним относятся: Солар-1 (Баретоу, США, 10 МВт); Темис (Мартисон, Франция, 2,5 МВт); Юрелиос (Адрино, Италия, 1 МВт); Цеза-1 (Альмерин, Испания, 0,5 МВт); Саншайн (Нио, Япония, 1 МВт), всего общая мощность — 21,2 МВт. Стоимость и КПД установки Солар-1 соответственно составляла: 141 млн долл. (КПД — 11%).

С 1988 г. в США (Южн. Калифорния) работает 7 крупных СЭС МТ мощностью от 15 до 80 МВт. Все станции включены в общую энергосистему. Общая мощность СЭС составляет 243,8 МВт, КПД — 4... 16%. К 1989 г. завершено строительство первой очереди СЭС КТ — СТЭС мощностью 200 МВт. Плани­руется, что общая мощность СЭС достигнет в 2010 г. 4000 МВт. Все современные СТЭС независимо от их типа имеют следующие основные элементы: концентратор, теплоприемник, систему транспорта и аккумулирования теплоты, систему преоб­разования теплоты в работу. В СТЭС башенного типа теплопри­емник-парогенератор кругового облучения или плоскостного типа расположен на вершине башни. Вокруг башни (теплоприемник кругового облучения) или с ее северной стороны (теплоприемник плоскостного типа) расположены плоские зеркала на подвижных опорах (гелиостаты), которые следят за солнцем и отражают сол­нечные лучи на поверхность теилоприемника. Водяной пар, по­лученный в теплоприемнике, направляется в паровую турбину. Дальнейшее преобразование теплоты в электроэнергию осуще­ствляется по обычной схеме с циклом Ренкина. Пример тепловой схемы СТЭС башенного типа (10 МВт, Баретоу, США) показан на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Схема СТЭС башенного типа:

1 — центральный приемник; 2 — турбина; 3 — тепловой аккумулятор; 4 — парогенератор системы аккумулирования; 5 — расширительный бак; 6 — ох­ладитель пара, идущего на зарядку системы аккумулирования; 7 — промежу­точный нагреватель системы аккумулирования теплоты; 8 — регенеративные подогреватели; 9 — деаэратор

Техническая характеристика СТЭС Баретоу

Площадь теплоприемной поверхности, м²............................... 302

Общая площадь гелиостатов, м²............................................... 340 000

Количество гелиостатов................................................................... 1818

Температура пара на входе в турбину, °С......................................... 510

Давление пара на входе в турбину, МПа............................................... 10

Электрический КПД (нетто) при расчетной радиации, %. 15,3

В настоящее время разрабатывается новая концепция СТЭС башенного типа, в которой рабочим телом служит сжатый воз­дух. В теплоприемнике сжатый воздух нагревается до температу­ры 1000 °С и направляется в газовую турбину.

На рис. 3.14 показана принципиальная тепловая схема СТЭС с параболоцилиндрическими концентраторами (80 МВт, Кали­форния, США).

Рис. 3.14. Принципиальная тепловая схема СТЭС

с параболоцилиндрическими концентраторами:

1 — поле параболоцилиндрических концентраторов; 2 — пароперегреватель;

5 — парогенератор; 4 — экономайзер; 5 — теплоприемник промперегрева;

6 — паровая турбина; 7 — газовый котел

Глава 3

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА

 

Вдоль линейного фокуса каждого параболоцилиндрического концентратора расположен теплоприемник в виде стальной тру­бы, окруженной стеклянной оболочкой. Пространство между тру­бой и стеклянной оболочкой вакуумировано, а на поверхность трубы нанесено селективное покрытие с высоким коэффициен­том поглощения в видимой области спектра и низким коэффи­циентом излучения в инфракрасной области. Такая конструкция теплоприемника позволяет свести к минимуму потери теплоты в окружающее пространство за счет излучения, конвекции и теп­лопроводности. Теплоноситель (термостойкое кремнийорганиче-ское масло), проходя через теплоприемник, нагревается до тем­пературы 390 °С и передает теплоту воде и водяному пару.

3.4. СОЛНЕЧНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ (СФЭС)

В настоящее время метод фотоэлектрического преобразова­ния в мире стал одним из приоритетных направлений использо­вания СЭ. Это обусловлено тем, что он обеспечивает:

· максимальную экологическую чистоту преобразования энергии;

· возможность получения энергии практически в любом районе;

· значительный срок службы;

· малые затраты на обслуживание;

· независимость эффективности преобразований СЭ от уста­новленной мощности.

Фотоэлектрические источники находят применение для пита­ния потребителей в широком интервале мощностей: от мини-генераторов для часов и калькуляторов мощностью несколько Вт до центральных электростанций мощностью несколько МВт.

Сейчас свыше 30 стран мира используют процесс прямого преобразования солнечной энергии в электрическую для различ­ных целей. Суммарная мощность произведенных во всем мире солнечных фотоэлектрических преобразователей (СФЭП) или солнечных батарей составила в 1990 г — 51 МВт, в том числе: США — 35%, Япония — 34%, Европа — 19%, другие — 12%.

Используются несколько типов фотопреобразователей (ФП): кремний монокристаллический (22 долл. США/Вт; КПД моду­ля— 15%), поликристаллический (5; 12%), аморфный (8; 5%), арсенид галлия (50; 22%), теллурид кадмия; (фосфид индия; ар-сенид галлия — кремния; диселенид меди — индия).

Ведущими типами ФП сейчас являются монокристалличе­ский (МК) и поликристаллический (ПК) кремний, объем выпуска которых около 70%.

Промышленное использование аморфного кремния началось с 1980 г. Эти фотопреобразотели (однослойной структуры) сейчас (КПД — 5...7%) используются для мини ЭВМ, электрических часов, систем катодной защиты трубопроводов и др. В дальней­шем при повышении КПД более 10% (до 24%) за счет использо­вания каскадных структур эти преобразователи могут использо­ваться в ФЭС (фотоэлектрических станциях).

Сейчас ФЭС используются для электрификации изолирован­ных объектов: теплиц, ферм, горных пастбищ, жилых домов и т. п.

В странах ЕС действует программа «Солнечная энергия».

В Германии будет построено 2250 ФЭС мощностью 1...5 кВт; действует программа «Тысяча крыш», предусматривающая элект­рификацию 1000 одно- и двухсемейных домов; в Швейцарии — действуют ФЭС максимальной мощностью 3 кВт, ФЭС — ПО кВт; предполагается до 2008 г. одну из равнинных областей перевести полностью на энергоснабжение за счет гидроэнергии и ФЭС мощ­ностью до 2 МВт; предполагается разработать ФЭС с батареей площадью 25 м² для индивидуальных зданий; в Италии — пред­полагается довести к 2010 г. общие мощности ФЭС до 25 МВт за счет ФЭС мощностью 100, 200, 300 кВт.

В США построены ФЭС на основе плоских модулей крис­таллического кремния мощностью 27...5200 кВт.

Рис. 3.15. Общий вид электростанции в Серпе

В Португалии 28 марта 2007 г. в местечке Серпа (Serpa), что в 200 км от Лиссабона, заработала самая мощная солнечная элект­ростанция в мире. Ее 52 тыс солнечных батарей раскинулись на площади в 60 гектаров. Она обеспечит энергией 8 тыс домов.

Глава

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА

 

Мощность новой станции составляет 11 МВт, за год она должна вырабатывать свыше 20 ГВт-часов энергии. Серпа — одно из самых солнечных мест в Европе. Сооружение Серпской СФЭС — плод совместных усилий американских компаний GE Energy Financial Services и PowerLiqht, а также португальской компании Catavento, стоил 78,5 млн долларов.

Солнечная электростанция в Серпе (рис. 3.15) на 40% произ­водительнее, чем предыдущая станция-рекордсмен, расположен­ная в германском городе Покинг (Pocking).

Новая электростанция «сэкономит» для Португалии выбросы парниковых газов на 30 тыс т в год, если сравнивать с загрязне­нием от тепловой электростанции равной мощности.

Следует добавить, что Португалия намерена инвестировать за следующие 5 лет в развитие альтернативных электростанций (Солнце, ветер, волны) 10,8 млрд долларов, при этом правитель­ство стремится достичь внушительного показателя — 45% по­крытия расхода электроэнергии в стране за счет возобновляемых источников уже к 2010 г.

В странах бывшего СССР в теоретическом плане достигну­тые результаты не уступают зарубежным. Однако имеется значи­тельное отставание в организации работ по фотопреобразовате­лям (ФП) на аморфном кремнии и по тонкопленочным структу­рам. По объему выпуска всех видов ФП Россия находится на од­ном из последних мест среди развитых стран. Исключение составляют космические аппараты.

Программой РФ «Экологически чистая энергетика» предус­мотрено:

· освоение автоматизированного серийного производства вы­сокоэффективных, надежных и относительно дешевых эле­ментов, модулей и батарей из аморфного, кристаллического и поликристаллического кремния;

· освоение производства ФЭС малой мощности для электро­снабжения маломощных потребителей;

· освоение производства ФЭС мегаватной мощности для па­раллельной работы с существующей электрической сетью.

Конкретное воплощение многих из поставленных проблем изложено в приведенных ниже научно-технических разработках. В Московском инженерно-физическом институте разработан новый тип солнечных батарей модульной конструкции, что по­зволяет наращивать их мощность в диапазоне от 0,2 до 100 кВт. Конструкция батарей позволяет использовать их и для выработки тепла.

Батарея имеет ряд преимуществ по сравнению с аналогич­ными разработками фирм США, Японии и Германии: простота конструкции, надежность, отсутствие дорогостоящих компонен­тов, таких как устройства слежения за солнцем. Гарантируется их работа в течение 20 лет без специального обслуживания.

В Институте материаловедения при университете г. Нюрн­берг, Германия разработан новый тип солнечных элементов, пре­имуществами которых являются сниженная стоимость, длитель­ный срок службы, меньший вес. Элементы являются гибкими и, благодаря нанесенной на их оборотной поверхности специаль­ной металлической сетке, могут абсорбировать солнечный свет и на оборотной поверхности.

КПД новых батарей составляет 20...24% против менее 15% для обычных солнечных батарей. Новые элементы воспринима­ют также рассеянный свет. Стоимость примененных материалов снижена на 50%. Новые элементы найдут применение в косми­ческих исследованиях и при производстве гражданского обору­дования.

В расположенных в Германии лабораториях компании ASEA Brown Boveri (ABB) ведется разработка термоэлектрических преобразователей ТЭП типа Amtec, представляющих собой дешевые и компактные уста­новки с КПД в диапазоне 35...45%, мощности которых могут вырабатывать от не­скольких ватт до нескольких мегаватт. Предполагается, что такие ТЭП смогут работать практически от любого ис­точника тепловой энергии.

Схема ТЭП типа Anrtec по­казана на рис. 3.16.

Рис 3.16. ТЭП типа Amtec: 1 — тепловая изоляция; 2 — вход тепла; 3 — жидкий натрий; 4 — па­ры натрия; 5 — электрод; 6 — мем­брана из бета-глинозема; 7 — отвод тепла через конденсатор; 8 — насос; 9 — электрическая нагрузка

Пары 4 натрия высокого давления при температуре 800... 1000 °С отделены от на­триевых паров низкого давле­ния (температура 200...300 °С) мембраной 6 из бета-глино­зема. Градиент давления за­ставляет двигаться ионы нат­рия через мембрану 6, при этом

<>

Глава 3

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА

 

мембрана действует как фильтр, пропускающий ионы натрия, но задерживающий электроны внешнего электронного слоя на стороне зоны высокого давления. Таким образом, сторона мемб­раны, обращенная к зоне высокого давления, заряжается отрица­тельно, а противоположная сторона — положительно, что созда­ет разность потенциалов между электродами 5, к которым может быть подключена электрическая нагрузка.

Остаются пока нерешенными несколько проблем, самой труд­ной из которых является выбор материала и конструкции элект­родов 5. Эти электроды должны иметь хорошую электрическую проводимость, устойчивость против коррозии в парах натрия, малую испаряемость при температурах приблизительно 1000 °С, высокую проницаемость для паров натрия и должны образовы­вать жесткую форму для мембраны с малым контактным сопро­тивлением между ними. Этим требованиям соответствует лишь малое число металлов и сплавов.

Amtec может найти также применение в установках комби­нированной выработки энергии.

В настоящее время в России фотопреобразователи установ­лены на маяках, навигационных знаках Баренцева и Черного мо­рей, Рыбинского водохранилища, Ладожского озера, озера Бай­кал, на радиорелейной линии УКВ связи газопровода Средняя Азия — Центр и др. Все они выполнены на основе унифициро­ванных модулей с пиковой электрической мощностью 10...240 Вт.

Важным обстоятельством является тот факт, что СФЭС отличаются относительной простотой конструкции, низкой металлоемкостью, могут работать с одинаковой эффективностью в любом диапазоне мощности и на любой географической ши­роте. Трудности в практической реализации строительства СФЭС обусловлены прежде всего высокой стоимостью фотопреобразо­вателей (в настоящее время 10... 12 тыс руб/кВт).

Удешевление СФЭС и увеличение их мощности связано с продолжением исследований в области электродинамики и выяв­лением новых перспективных способов преобразования солнеч­ной энергии. Необходим переход к крупномасштабной, автомати­зированной технологии изготовления солнечных элементов из монокристаллического и поликристаллического кремния, а так­же переход к тонкопленочной технологии производства солнеч­ных элементов.

Солнечный элемент на основе кремниевых пластин пред­ставляет собой полупроводниковый фотоэлектрический преобра­зователь (рис. 3.17). Он отличается от типичного микроэлектрон-

ного прибора только тем, что имеет большую площадь р-п пере­ходов, простирающуюся по всей поверхности пластины.

В основе фотоэлектрического эффекта лежит процесс погло­щения света в объеме полупроводника (в базовой области 5), при котором рассеиваемый фотон рождает электронно-дырочную пару. Электродвижущая сила (ЭДС), возникающая за счет разно­сти коэффициентов диффузии носителей заряда — электронов и дырок, в однородном полупроводнике обычно очень мала. При поглощении света значительную ЭДС получают в неоднородном полупроводнике, в котором обеспечивается пространственное разделение носителей заряда разного знака (электронов (-) и ды­рок (+)) за счет встроенного электрического поля, создаваемого конструкционно на основе р-п переходов (3 и 5 на рис. 3.1 7,а я 11 я 5 на рис. 3.17,6).

Рис. 3.17. Конструкции кремниевых солнечных элементов:

а — простейшая типичная конструкция; б — конструкция с утопленным контактом; / — лицевой сетчатый токосъемный контакт (многослойная система Ti-Pd-Ag припой; 2 — просветляющее покрытие; 3 — легированный слой n -типа; 4 — слой объемного заряда; 5 — база p -типа; 6 — тыльный р_g⁺-слой; 7 — тыльный контакт; 8 — токосъемная шина; 9 — сетчатый токосъем; 10 — приконтактная сильнолегированная n⁺⁺-область; 11 — фрон­тальный n⁺-слой; 12 — слой оксида; 13 — канавка; 14 — утопленный фронтальный контакт

Глава

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА

 

Области p -проводимости (дырочной) и n -проводимости (элект­ронной) получают за счет диффузионного легирования основного вещества (Si) акцепторами (В, А1) и донорами электронов (Р, As, Sb) соответственно. Разница работ выхода носителей заряда на р-п переходе образует потенциальный барьер для основных но­сителей (равновесных носителей заряда в базовом материале, т. е. дырок в базе р-типа).

Для работы СЭ основную роль играют неосновные носители заряда (НН), т. е. неравновесные носители, появляющиеся в резуль­тате поглощения фотонов. Неосновные носители, проходя через р-п переход, ускоряются и создают фототок, отвод которого обес­печивают контакты (1, 7, 8, 9 на рис. 3.17,а и 7, 14 на рис. 3.17,6). Величина фототока в значительной мере зависит от времени жизни τ_нн (или от «диффузионной длины» l _нн) неосновных носителей.

В настоящее время уже предложено большое число конст­рукций солнечных элементов как на основе кремния, так и с использованием других полупроводниковых материалов. Различия конструкций во многом обусловлены стремлением повышения КПД за счет применения эффективных оптических систем свето-собирания и светопоглощения.

Конструкции СЭ на базе плоской поверхности пластин доста­точно широко применяют благодаря относительной простоте технологии. На рис. 3.17,«показана одна из простейших конст­рукций солнечного элемента, созданного на пластине кремния.

Элемент, изображенный на рис. 3.17,6, имеет лучшие харак­теристики светопоглощения, чем элемент на рис. 3.17,я, и соот­ветственно более заполненную вольт-амперную характеристику (ВАХ) и больший КПД, а также — большую площадь р-п пере­хода, что обеспечивает менее крутой наклон ВАХ в рабочей об­ласти.

Основная технологическая цепочка производства СЭ на плас­тинах кремния включает следующие этапы:

1) обезжиривание и очистка пластин (начальные и промежу­точные);

2) полировка пластин;

3) травление для создания текстурированной поверхности (рис. 3.17,6);

4) газодиффузное внедрение фосфора для создания n-слоя на обеих сторонах пластины кремния;

5) травление для удаления стеклообразного слоя диффузанта;

6) осаждение (напыление) слоя алюминия на тыльную по­верхность СЭ в вакууме;

 

7) термодиффузионная обработка для создания р -слоя на тыльной стороне путем проведения диффузии А1 через n -слой при -800 °С;

8) маскирование для создания рисунка токосъемной сетки на световой стороне с помощью фотолитографии или теневой

маски;

9) осаждение токосъемных слоев (в частности, из Ni, Ti, Pd
или Ag) на световую и тыльную поверхности;

10) удаление маски (стравливание);

11) отжиг токосъемных слоев при ~550 °С;

12) погружение в расплавленный припой для создания подсо­единительных контактов;

13) осаждение просветляющего покрытия из Та₂О₅ (или др.) и последующее его спекание при 450 °С;

14) резка на прямоугольники (при необходимости) и обработ­ка торцов для удаления диффузионных закороток;

15) контроль качества — определение КПД и сортировка.
Цепочка 2-14 обычно содержит еще промежуточные этапы

очистки, сушки и контроля параметров. Если для улучшения све-тособирания фронтальная поверхность элемента делается тексту­рированной — с канавками, бороздками и т. п. (рис. 3.17,6), то между этапами 2-4 существует еще специальная операция обра­зования поверхности сложной формы — вытравливание, лазер­ное или механическое скрайбирование.

СФЭС в сравнении с другими видами СЭС обладает рядом преимуществ, такими, как возможность получения электроэнер­гии даже при рассеянном солнечном свете, постепенного наращи­вания мощности добавлением новых секций солнечных батарей, малое потребление энергии на собственные нужды, большой (более 30 лет) срок службы, высокие надежность, ремонтопригод­ность и безопасность, относительная простота комплексной их автоматизации с возможностью работы без постоянного обслужи­вающего персонала.

Внедрение новой технологии и расширение производствен­ной базы создают благоприятные условия для строительства СФЭС средней мощности (10... 1000 кВт) в северных широтах для электроснабжения сезонных потребителей, в горных райо­нах, на Дальнем Востоке для питания автономных потребителей, а также для экспорта их в другие страны.

Создание крупномасштабной машиностроительной базы, ос­нованной на принципиально новых технологических процессах производства СФЭС, позволит создавать крупные наземные СФЭС.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА

3.5. ТИПЫ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

Глава 3

В нашей стране также велика потребность в автономных энергоустановках с использованием фотопреобразователей. Од­ной из причин неудовлетворения имеющихся потребностей явля­ются ограничение по сырьевой базе кристаллического кремния и медленное освоение технологии производства преобразовате­лей на основе аморфного кремния. НПО «Квант» сегодня являет­ся монополистом в производстве солнечных элементов из крис­таллического кремния. «КвантЭМПАГРО» осуществило часть крупномасштабного эксперимента по сооружению в по с. Черно­морский Краснодарского края «Солнечной деревни» — построе­но 8 из 20 намечавшихся к строительству коттеджей. Солнечные батареи мощностью 4 кВт сооружены на крышах домов, объеди­нены между собой и могут отдавать излишки энергии в сеть. Среднесуточная выработка электроэнергии на одну установку со­ставляет 10 кВт-ч.

Сегодня в России имеются хорошая научная база для разви­тия фотоэнергетики и мощное промышленное производство (в Москве, Санкт-Петербурге, Краснодаре, Рязани и других горо­дах), которое способно создавать практически любые современ­ные СФЭУ любого назначения.

НПО «Астрофизика» в порядке конверсии оборонного произ­водства ведет разработку и изготовление автономных гелиоэнер-гетических установок (ГЭУ) и блочных модульных электростан­ций на основе параболических концентраторов с металлически­ми зеркалами и различными преобразователями (двигатели Стер­линга, термоэмиссионные преобразователи и т. д.), оснащенных системами слежения за Солнцем.

Создание экологически чистых СЭС электрической мощ­ностью 1... 10 МВт и выше на основе параболоидных и параболо-цилиндрических ГЭУ, многобашенных солнечных станций воз­можно с использованием газотурбинных преобразователей энергии.

Такие СЭС и автономные ГЭУ могут найти применение в регионах, отдаленных от централизованных сетей электро-, теп­ло- и газоснабжения, обеспечивая потребителя электрической, тепловой, механической энергией, в том числе и холодом.

НПО «Астрофизика» в кооперации с другими предприятиями создало два модуля мощностью 2,5 и 5 кВт с двигателем Стер­линга (разработка Физико-энергетического института АН РФ) и диаметром зеркала соответственно 5 и 7 м.

Отдельные модули солнечных установок со светосильными концентраторами мощностью 1...5 кВт можно использовать в ка­честве автономных источников электропитания.

Наиболее распространенными в странах СНГ являются сол­нечные батареи типа БСК-1, БСК-2, Электроника МЧ/1.

Эти солнечные батареи могут обеспечить зарядный ток акку­мулятора в пределах 35...50 мА, не более того. Причем это будет при хорошем солнечном освещении. Следовательно, с помощью широко распространенных солнечных батарей можно обеспечить заряд маломощных аккумуляторов типа ЦНК-0,45, имеющих ем­кость не более 0,45 А/ч.

Рис. 3.18. Неэффективная схема влкючения элементов солнечных батарей

Ток солнечных батарей мож­но увеличить при помощи их па­раллельного включения. Конечно, необходимо включать солнечные батареи, имеющие одинаковое количество элементов и, следова­тельно, обеспечивающих одина­ковое напряжение фотоЭДС. Но все же параллельное включение солнечных батарей, как это пока­зано на рис. 3.18 нежелательно. Лучшие результаты будут полу­чены при параллельном включе­нии элементов солнечных бата­рей, как это показано на рис. 3.19.

Вследствие разной освещенности солнечных батарей, по­казанных на рис. 3.18 генерируемые ими напряжения будут не­много отличаться друг от друга. Поэтому эффективно будет рабо­тать только одна солнечная бата­рея. При включении солнечных элементов по схеме, показанной на рис. 3.19, напряжения, гене­рируемые ими, более равномер­но распределяются по солнечной батарее. Вследствие этого, час­тичное затенение элементов не принесет большого вреда для ра­боты соленчной батареи.

Рис. 3.19. Эффективная схема включения элементов солнечных батарей

Для увеличения напряжения солнечной батареи, можно вклю­чать последовательно, большое количество солнечных элементов.

Глава 3

Напряжение такой солнечной батареи будет равно сумме напря­жений на всех составляющих ее солнечных элементах. Ток, отда­ваемый этой батареей, будет ограничен током худшего элемента. Самый главный недостаток солнечных элементов — их отно­сительная дороговизна. Но этот недостаток окупает эффективная работа заряжаемых с помощью солнца аккумуляторов.

3.6. ЗАРЯДКА И ПОДЗАРЯДКА АККУМУЛЯТОРОВ

При достаточном количестве солнечных элементов можно создать солнечную батарею с практически любыми напряжением и током, и способную обеспечить зарядку любого типа аккумуля­торов. Все дело только в стоимости такой солнечной батареи. Ко­нечно, не следует забывать, что мощная солнечная батарея будет занимать большую площадь для своей установки. Следует также заметить, если полноценное солнечное освещение батареи быва­ет ограниченное время суток, то желательно использовать сол­нечную батарею, обеспечивающую ускоренный зарядный ток, величина которого находится в пределах 0,15...0,3 от емкости ак­кумуляторов.

Если же солнечная батарея обеспечивает ток, меньший чем номинальный зарядный ток, менее 0,08 от емкости аккумулято­ров, то в данном случае речь может идти не о зарядке, а только о подзарядке аккумуляторов. Это означает, что в светлый период времени солнечная батарея должна быть постоянно подключена к аккумулятору, все это время постоянно подзаряжая его. При этом необходимо контролировать, что бы во время работы акку­муляторной батареи напряжение на одном элементе аккумулято­ра было бы не ниже 1,2... 1,15 В. При напряжении ниже 1,15 В аккумулятор необходимо снять с работы и поставить на зарядку. В противном случае за короткое время напряжение на элементах аккумулятора упадет до 1,1 В, и такую разряженную аккумуля­торную батарею уже невозможно будет использовать в эксплуа­тации без серьезной зарядки. Это указывает на то, что в процессе эксплуатации, обязательно необходимо контролировать напряже­ние на аккумуляторной батарее под нагрузкой. Разрядная и за­рядная характеристики одиночного аккумулятора показаны на рис. 3.20.

Для дальнейшего понимания процесса зарядки солнечной ба­тареей аккумулятора рассмотрим характеристики элемента сол­нечной батареи. Зависимость тока одного элемента солнечной батареи типа БСК-2 от напряжения на нем показана на рис. 3.21.

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА

Рис. 3.20. Зарядная и разрядная характеристики никель-кадмиевого аккумулятора

Рис. 3.21. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

Этот график снят при оптимальном освещении солнечного эле­мента. Этот график типичен и для других солнечных элементов. Конечно, значение максимального тока будет зависеть от мощно­сти солнечного элемента. Для снятия этого графика к освещенно­му солнечному элементу подключают переменный резистор. Из­меняют сопротивление переменного резистора, и измеряют ток, поступающий в резистор и напряжение на солнечном элементе. Схема для снятия вольт/амперной характеристики солнечного элемента показана на рис. 3.22.

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА

Глава 3

Рис. 3.22, Схема для снятия вольт-амперной характеристики солнечного элемента

Для схемы измерения тока солнечного элемента (рис. 3.22) был построен гра­фик зависимости рассеива­емой мощности в сопротив­лении нагрузки солнечного элемента. График показан на рис. 3.23. Этот график снят при оптимальном освещении солнечного элемента. При построении графика измеря­лось нагрузочное сопротив-

ление солнечного элемента при различных напряжениях на нем Затем, исходя из значения сопротивления нагрузки, и тока, проте­кающего через нагрузку, был построен график мощности, рассе­иваемой в нагрузке. Из этого графика видно, что максимальная мощность отдаваемая в нагрузку солнечным элементом будет при напряжении на нагрузке 0,45 В. Оптимальное напряжение на нагрузке (0,45 В) отличается от напряжения фото ЭДС (0,6 В) в 0,75 раз.

Рис. 3.23. Зависимость рассеиваемой мощности в сопротивлении нагрузки от напряжения на ней

Следовательно, для зарядки аккумуляторов можно применить солнечную батарею, которая имеет максимальный генериру­емый ток примерно равный току зарядки аккумуляторов. В этом случае солнечная батарея автоматически будет производить за­рядку аккумуляторов необходимым зарядным током при своем освещении.

Рис. 3.24. Схема подключения солнечной батареи к аккумулятору

Батарею необходимо подключать к аккумуляторам через диод, как это показано на рис. 3.24. Это необходимо потому, что при неблагоприятном солнечном освещении напряжение на сол­нечной батарее может упасть ниже, чем напряжение на заряжа­емых аккумуляторах. В этом случае аккумуляторы вместо своего заряда разрядятся через внутреннее сопротивление солнечной батареи. Буферный конденсатор С1 необходим, если аккумуля­торы будут использоваться для работы во время своей зарядки/ подзарядки.

Последовательно с солнечной батареей включен миллиампер­метр, который показываег; какой величины ток потребляет акку­мулятор от солнечной батареи. Это дает возможность судить, на­ходится ли аккумулятор под зарядным током или тренировочным, и вообще, работает ли в данный момент солнечная батарея или нет. В качестве миллиамперметра удобно использовать индика­тор записи от магнитофона.

Шунт для этого индикатора записи тоже сделать достаточно просто. На резисторе типа МЛТ-0,5 наматываем 1 м провода типа ПЭЛ-0,1. Подключаем шунт параллельно микроамперметру и из­меряем, какой максимальный ток он при этом может измерять. Допустим, получилось 100 мА. А для заряда аккумуляторов ис­пользуется солнечная батарея с максимальным током 40 мА.

Следовательно, удобно иметь максимальную шкалу в 50 мА. Для получения такого максимального тока отклонения микроам­перметра сопротивление шунта необходимо увеличить в два раза. Для этого необходимо увеличить длину провода шунта до двух

Глава 3

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА

 

метров. Аналогично можно провести подгонку шунта и для дру­гих токов отклонения миллиамперметра.

В походных условиях можно считать процесс зарядки акку­муляторной батареи оконченным, если напряжение на ее элемен­тах под нагрузкой составляет не менее 1,25 В/на элемент, и их ЭДС составляет не менее 1,36 В/на элемент. Если солнечная ба­тарея используется только для подзарядки аккумуляторов, то ее необходимо подключать по мере разрядки аккумуляторов.

При неблагоприятных условиях подзарядка может даже про­должаться целый световой день. Ночью солнечные батареи нет необходимости отключать от аккумуляторов, поскольку они бу­дут отключены автоматически с помощью диода VD1 (рис. 3.24).

3.7. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ

Пример расчета солнечной батареи, необходимой для заряд­ки аккумуляторов показан на графиках рис. 3.20. В течение вре­мени зарядки аккумулятора напряжение на нем будет находить­ся в пределах 1,4 В. Для питания аппаратуры в полевых усло­виях, обычно применяют напряжение питания 12 В. Такое напря­жение могут обеспечить 10 никель-кадмиевых аккумуляторов, включенных последовательно. Для зарядки батареи из 10 никель-кадмиевых аккумуляторов, включенных последовательно, необ­ходимо обеспечить напряжение на них равное 14 В (10 • 1,4 = 14).

При максимальном КПД работы солнечной батареи, когда напряжение на одном солнечном элементе составит 0,45 В, на­пряжение 14 В может обеспечить солнечная батарея состоящая из 31 элемента (14/0,45 = 31).

Если учесть падение напряжения на диоде, равное 0,7 В, то солнечная батарея должна иметь еще два лишних элемента. Суммарное количество солнечных элементов в батарее в этом случае будет равно 33 (31 + 2 = 33). Напряжение фотоЭДС сол­нечной батареи содержащей 33 элемента составит 19,8 В. Сле­довательно для зарядки аккумуляторной батареи напряжением 12 В, необходима солнечная батарея напряжением фотоЭДС почти 20 В!

Такую батарею можно собрать используя отдельные солнеч­ные элементы или несколько готовых солнечных батарей.

В паспорте на солнечные батареи указывают напряжение фотоЭДС. В продаже имеются солнечные батареи на напряжения фотоЭДС равное 12 и 9 В. Следовательно, при оптимальном со­противлении нагрузки (см. рис 3.23) напряжение на этих батаре-

ях составит 6,75 В для 9-вольтовой солнечной батареи и 9 В для 12-вольтовой солнечной батареи.

Две последовательно включенные солнечные батареи, имею­щие напряжение фотоЭДС 9 и 12 В можно использовать для за­рядки 12-вольтовой аккумуляторной батареи. Превышение сум­марного напряжения, которое для двух батарей составит 21 В, расчетного напряжения 20 В на один вольт не опасно. Это превышение будет компенсировано некоторым уменьшением вы­ходного напряжения солнечной батареи которое произойдет из-за неравномерного освещения элементов, составляющих сол­нечную батарею. Следует помнить, что ток солнечных батарей не должен превышать зарядный ток аккумуляторов.

Две последовательно включенные солнечные батареи на на­пряжение 9 В не смогут обеспечить полную зарядку аккумуля­торной батареи. Они осуществят лишь ее подзарядку, до уровня не более 20% от необходимого заря

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: