Использование энергии солнца - Фотоэлектрические установки

Солнечные фотоэлектрические преобразователи — солнечные элементы (СЭ) обеспечивают наиболее короткую схему превращения солнечного излучения в электроэнергию. Они работают на принципе внутреннего фотоэффекта, возникающего в легированных полупроводниковых структурах, при воздействии на них квантов света (фотонов), генерируют постоянный ток и в работе практически безынерционны.
В настоящее время наибольшее практическое применение получили СЭ на основе кремния.
СЭ генерируют электрическое напряжение только при освещении, а выходной ток зависит от интенсивности облучения и размера элемента. Кремниевые СЭ используют лишь часть солнечного спектра от фиолетовой границы световой области (380 нм) до инфракрасной области с длиной волны 1 100 нм. КПД лучших образцов кремниевых фотопреобразователей достигает 16—18%, серийно выпускаемых— 10— 12%.
СЭ вырабатывают постоянный ток, характеризуются непостоянством рабочих параметров, зависящих от интенсивности солнечного излучения. Имеют относительно низкое значение оптимального напряжения (0,4—0,45 В на элемент). Просты в эксплуатации.
На работу СЭ влияет температура нагрева, определяемая температурой окружающей среды, интенсивностью облучения (непреобразуемые СЭ инфракрасные лучи нагревают конструкцию) и условиями охлаждения. При повышении температуры несколько уменьшается вырабатываемое напряжение, а следовательно, и мощность.
Простейшие СЭ (например, на основе кремния) по КПД (10—18%) не превосходят электрогенерирующие системы на основе механических тепловых машин. Одной из причин этого является то, что не весь световой поток полезно воспринимается. Для устранения этого создают каскадные структуры, в которых сочетание двух соединенных последовательно солнечных элементов позволяет получить более высокий (в 1,5—2 раза) суммарный КПД. Применение для их изготовления интегральной технологии и создание так называемого интегрального фотопреобразователя создают возможности для дальнейшего совершенствования СЭ. Их КПД можно повысить до 50 — 60 %, а теоретически даже до 93%.

В настоящее время особое внимание уделяется вопросу удешевления конструкций СЭ, которые являются весьма дорогостоящими. Их высокая стоимость обусловлена чрезвычайно высокими требованиями к чистоте полупроводниковых материалов, недопустимостью какой-либо деформации структурной решетки полупроводника (вследствие чего элементы необходимо вырезать из единого кристалла), точностью технологии легирования, представляющего собой целенаправленное введение в полупроводник примесных атомов с концентрацией не выше одной миллионной и т. д.
Применяя легированный кремний в поликристаллической форме, можно избежать продолжительной и дорогостоящей стадии выращивания монокристалла. КПД элементов из поликристаллического кремния снижается примерно на 4 %, но при этом их стоимость уменьшается в 2—3 раза. Удешевления СЭ можно добиться, используя тонкопленочную технологию. Тонкопленочные преобразователи имеют КПД до 7 %. При этом они обладают более прочной конструкцией батареи и имеют меньшие весовые показатели по сравнению с батареями из монокристаллических элементов.
Последовательное соединение СЭ приводит к увеличению напряжения, параллельное—к увеличению тока. Соединение СЭ в любой комбинации для получения необходимых выходных параметров напряжения и мощности, требуемых потребителем, осуществляется с помощью СБ, в которых обеспечивается надежная сборка и герметизация СЭ.
Солнечные батареи (СБ) как автономные источники питания являются энергетической основой любой солнечной фотоэлектрической установки.
В зависимости от уровня мощности СБ, как правило, представляет собой один или несколько блоков, соединенных последовательно-параллельно. Каждый из блоков, в свою очередь, содержит несколько конструктивных модулей. В модуле несколько единиц или десятков (в зависимости от формы и размеров) СЭ закреплены на жестком каркасе. На положительном выводе модуля устанавливают развязывающий диод. Защитное светопрозрачное покрытие могут иметь как отдельный модуль (при размещении в трубе люминесцентной лампы), так и несколько модулей, составляющих блок (при покрытии общим защитным закаленным стеклом).
Фотоэлектрические установки соединены с потребителем по схеме: СБ — преобразователь напряжения — электроприемник, когда процесс осуществляется только днем, или по схеме с использованием электрохимических аккумуляторов: СБ— регулятор заряда — аккумуляторная батарея — электропотребитель, когда требуется круглосуточное потребление энергии.
Системы с непосредственным соединением СБ и потребителя более просты по схемному решению и в эксплуатации. К ним относятся те фотоэнергоустановки, где аккумулируется вода или водород, либо технологический процесс выполняется, когда светит Солнце.
Фотоэлектрические установки с электрохимическими аккумуляторами или восстанавливаемыми гальваническими элементами осуществляют круглосуточную отдачу электроэнергии в соответствии с требуемым графиком нагрузки потребителя. Это удобно, однако требует введения схемы управления режимом заряда и ограничения разряда химических источников тока.
Фотоэлектрические установки с электрохимическими аккумуляторами и без них имеют мощность от единиц ватта до нескольких киловатт (табл. 9).

Таблица 9. Фотоэлектрические установки

Из всех фотоэлектрических установок наибольшее внимание привлекают фотоэлектрические водоподъемные установки. Это объясняется следующими факторами. В районах, испытывающих недостаток в воде, солнечная энергия, как правило, в избытке, годовой пик потребности в воде совпадает с годовым пиком прихода солнечного излучения, СБ — как источник электроэнергии проста в эксплуатации и не требует квалифицированного обслуживания.

Фотоэлектрическая водоподъемная установка (ФЭВУ).

Разработана НПО «Квант», Союзгипроводхоз, ВИЭСХ. Применяют на стационарных водоподъемных пунктах отгонных пастбищ.
Работает следующим образом. Электроэнергия постоянного тока от СБ поступает в блок 5 (рис. 12), где преобразовывается в переменный ток и подается к электродвигателю 2 насоса 3, поднимающего воду по трубопроводу 4 из колодца в резервуар-накопитель 8. В блоке 5 имеется выключатель, соединенный с датчиком верхнего уровня накопительного резервуара, который обеспечивает отключение насоса при полном заполнении водой резервуара, а также защиту от «сухого хода». Из водоразборного крана 6 вода поступает потребителю. 

В качестве водоподъемника могут быть использованы погружные электронасосы, например, типа «Азовец» с водозаполненным асинхронным электродвигателем или вибрационные электромагнитные насосы «Малыш», НЭБ-1-20 и др.
Установки ФЭВУ работают автоматически при поступлении солнечной энергии, достаточной после преобразования для запуска электронасоса. СБ устанавливают с ориентацией на юг (в северном полушарии). Угол наклона СБ по отношению к горизонту меняют 4 раза в году в соответствии с сезоном (лето, осень, зима, весна) с целью максимального получения солнечной энергии, падающей на лучевоспринимающую поверхность, и наибольшей производительности. Выпор угла наклона зависит от широты местности размещения.
Мощность СБ зависит от производительности ФЭВУ, глубины скважины, дебита водоисточника и солнечных энергоресурсов в данной местности, а емкость резервуара- накопителя — от суточной потребности в воде и сезонной производительности установки.

Стационарная фотоэлектрическая водоподъемная установка ФЭВУ-1-20.

Разработана НПО «Квант», Союзгипроводхоз и ВИЭСХ. Предназначена для пастбищного водоснабжения сельскохозяйственных объектов на территориях с малыми плотностями нагрузок (0,1—2 кВт/км²) при продолжительности солнечного сияния более 2000 ч в год. Обеспечивает водопой одной отары овец 600—1000 голов в течение пастбищного сезона.
Состоит из солнечной фотоэлектрической батареи, преобразователя постоянного тока в переменный, электромагнитного вибрационного насоса «Малыш» (НЭБ 1/20, ВБ-0,163, «Струмок»). При замене бензоэлектрических и бензомеханических водоподъемников годовая экономия жидкого топлива составляет от 500 до 1500 кг на объект.

Техническая характеристика установки ФЭВУ-1-20

Переносная сборно-разборная фотоэлектрическая водоподъемная установка.

Разработана ВИЭСХ. Применяют автономно практически на всей территории страны, особенно в регионах с годовой продолжительностью солнечного сияния более 2000 ч, в местностях, удаленных от стационарных электрических сетей, где нет возможности использовать бензоэлектрические агрегаты, затруднен подвоз топлива, сменных аккумуляторов.
Комплект установки состоит из СБ, необслуживаемого аккумулятора, специального электронасоса, блока управления.

Техническая характеристика солнечной батареи
Установленная мощность при интенсивности солнечного излучения 1000 Вт/м² и температуре окружающей среды плюс 25° С, Вт    50
КПД фотопреобразователей в расчетном режиме, не менее, %      10
Площадь, м²   0,7
Масса (без жгутов), кг   10
Срок службы СБ — не менее 20 лет.
Необслуживаемый кислотный аккумулятор создан на базе серийного мотоциклетного аккумулятора типа ЗМТ-14 и доработан специально для эксплуатации в системах возобновляемой энергетики. Общая масса аккумулятора с электролитом — 3,5—5,2 кг; КПД по энергии —90 %. Периодичность технического обслуживания — 1 раз в год. Срок службы — 5 лет.

Техническая характеристика импульсного электронасоса
Номинальная мощность, Вт 50
Производительность, л/ч До 300
Общий напор, м      10
Потребляемый ток. А   Не более 4
Напряжение питания, В    12
Частота следования импульсов. Гц    5-30
Масса (с электронным блоком), кг  Не более 5,5
Блок управления в комплекте с соединительными жгутами и выносной 4-позиционной розеткой обеспечивает электрическую связь между СБ, аккумуляторами, электронасосом и другими потребителями, а также 4 уровня напряжения: 220 В переменного тока; 6, 9, 12 В постоянного тока. Имеет схемы электронной стабилизации напряжения, содержит регулятор тока заряда аккумулятора, схему защиты от глубокого разряда и чрезмерного перезаряда.
При неработающем электронасосе к комплекту могут подключаться люминесцентный светильник (8—15 Вт), вентилятор и т. п.
Общая масса переносной сборно-разборной фотоэлектрической водоподъемной установки — не более 40 кг. Обеспечивает минимальный водоподъем 1,5 м³ в сутки с глубины 10 м.

Генератор импульсов электроизгороди с питанием от СБ.

Разработан Горским СХИ, ВИЭСХ. Предназначен для использования в комплекте с переносной электрической изгородью при выпасе крупного рогатого скота. СБ работает параллельно с батареей гальванических элементов типа А 373 «Орион М» или 373.

Техническая характеристика генератора

При использовании СБ расход сухих элементов снижается в 2—3 раза. Длительность работы одного комплекта невосстанавливаемых сухих элементов 373 — 1 сезон, СБ - 10 лет.

Универсальная фотоэлектрическая установка ФЭУ-40.

Разработана ВИЭСХ. Предназначена для автономного электро- и водоснабжения сельскохозяйственных потребителей на объектах, удаленных от централизованного электроснабжения. Установка транспортабельна и рассчитана на круглосуточную эксплуатацию.
Номинальная электрическая мощность СБ при расчетной интенсивности излучения 700 Вт/м²-40 Вт. Номинальная производительность при подъеме воды на 10 м 200 л/ч.
Масса (без аккумуляторной батареи) —35 кг.
Может выпускаться в двух модификациях: ФЭУ - 40 э для электроснабжения, ФЭУ — 40 в — для водоподъема. СБ собрана из стандартных трубчатых блоков конструкции ВНИИТ.