Автономный солнечный модуль

Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
Автономный солнечный модуль
Проскуряков А.А.
Тольяттинский государственный университет
Издавна мы используем энергию Солнца. Летом она непосредственно нагревает
наши здания, а зимой мы используем энергию Солнца, накопленную опосредствованно в
форме дров, угля, нефти и газа для отопления зданий и приготовления горячей воды.
Чтобы обеспечить экономию запасов топлива, которые природа накапливала на
протяжении миллионов лет, отопительная техника последовательно преодолевала этапы
долгого пути, что позволило создать возможности ответственного подхода к
использованию этих ресурсов.
Целесообразным дополнением этой тенденции является непосредственное
использование солнечной энергии с помощью солнечных установок. Благодаря
применению технически высококачественных установок и согласованной с ними общей
системы экономичное использование солнечной энергии сегодня не является
предвосхищением будущего, а уже стало реальностью, проверенной на повседневной
практике. Если учесть, что цены на топливо постоянно растут, то инвестиция средств в
гелиоустановки является весьма выгодным капиталовложением.
Количество солнечной энергии, поступающей на Землю, превышает энергию всех
мировых запасов нефти, газа, угля и других энергетических ресурсов. Использование
всего лишь 0,0125 % могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой
энергетики, а использование 0,5% - полностью покрыть потребности в будущем.
Преимущества технологий, использующих энергию солнца, в том, что при работе
солнечных установок практически не добавляется тепло в приземные слои атмосферы, не
создается парниковый эффект и не происходит загрязнения воздуха. Но у солнечной
энергии есть недостаток - ее зависимость от состояния атмосферы, времени суток и года.
Используют солнечную энергию в основном двумя методами - в виде тепловой
энергии путем применения различных термосистем или посредством фотохимических
реакций.
Наибольшее распространение в мире получили технологии использования
солнечной энергии для горячего водоснабжения и отопления. Для этих целей достаточна
низкотемпературная энергия. Установки и системы солнечного теплоснабжения делятся
на пассивные и активные.
В пассивных системах поглощение и аккумулирование солнечной энергии
осуществляется непосредственно элементами строительных конструкций зданий при
незначительном использовании дополнительных устройств или без них. Человек на
протяжении своей истории давно научился использовать солнечное тепло при
строительстве своего жилища. Во многих странах для зданий характерны толстые стены,
аккумулирующие энергию, и ориентация окон на солнечную сторону. Уже в наше время
были разработаны усовершенствования этой "системы". Стена, обращенная на юг,
окрашивается в черный цвет, перед стеной располагается остекленная поверхность, а
между ними остается воздух, который нагревается и циркулирует в доме путем
конвекции. Вместо каменной стены может быть "водяная стена", состоящая из
наполненных водой резервуаров из стекловолокна.
Активные системы основаны на использовании коллекторов, устройств
преобразующих солнечную энергию в тепло. Плоский солнечный коллектор состоит из
поглощающей энергию плиты, остекления, и расположенных между плитой и стеклом
труб. По трубам с помощью насоса циркулирует нагревающаяся жидкость.
Солнечные коллекторы могут использоваться в целом ряде низкотемпературных
процессов. Например, в пищевой промышленности для пастеризации продуктов, для
мойки банок, бутылок, для стирки белья в прачечных, сушки сельскохозяйственных
продуктов и даже зданий.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
160
Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
Для получения высокой температуры или совершения механической работы
применяют отражающие солнечные коллекторы, концентрирующие тепло и свет солнца и
следящие за его перемещением. В таких коллекторах применяются либо зеркала, либо
линзы. Зеркала могут быть параболическими, параболоидными или сферическими.
Сконцентрированный солнечный свет попадает на центральный теплоприемник и
нагревает жидкость, которая прокачивается насосом. В эту систему входит и бакаккумулятор для нагретой жидкости.
Основная проблема широкого использования солнечных тепловых установок
связана с их экономической эффективностью и конкурентоспособностью по сравнению с
традиционными системами. Стоимость энергии, вырабатываемая солнечными
установками более высока, чем стоимость энергии, получаемая при использовании
традиционного топлива. Но для районов, удаленных от централизованного
энергоснабжения, использование солнечных коллекторов экономически более выгодно.
Другой путь использования солнечной энергии - непосредственное преобразование
ее в электрическую в фотоэлементах. Фотоэлементы представляют собой
светочувствительные пластины из полупроводникового материала: селена, кремния,
арсенида галлия, диселенида кремния и т.д. Фотоэлектричество производится, когда
частицы света (фотоны), поглощенные полупроводником, создают электрический ток.
Солнечные батареи могут быть различной мощности - от портативных установок в
несколько ватт до многоваттных электростанций, покрывающих миллионы квадратных
метров площади.
Для того чтобы не зависеть от суточного и сезонного солнечного цикла и состояния
атмосферы существуют технические методы накопления энергии такие как:
электрохимическое накопление аккумуляторами, механическое накопление (с помощью
вращающихся маховиков) и в форме водорода. Также возможно сочетание фотоэлементов
с другими источниками энергии, например, наиболее вероятно сочетание с ветровыми
установками, а также с системами на ископаемом топливе.
Системы получения энергии путем преобразования солнечного излучения в
электричество в последние годы получают значительное развитие
По прогнозам EPIA1 мощность всех установленных на планете фотовольтаических
преобразователей к концу 2010 вырастет на 10.1 ГВт (прогноз "умеренный") и 15.5 ГВт
(прогноз "при условии господдержки" - благоприятном законодательстве, отсутствии
бюрократических проволочек и пр.). Для сравнения: суммарная мощность, потребляемая
человечеством при условии непрерывного ее использования составляет 13 ТВт
(Т=терра=1012) или 4.1 × 1020 Дж/год. К 2014 году суммарная мощность может
увеличиться на 30 ГВт, конечно при условии проведения соответствующей
государственной политики и состояния энергетического комплекса в целом. За последнее
десятилетие солнечная энергетика сделала большой рывок. Суммарная мощность
установленных и функционирующих на планете фотовольтаических преобразователей
составила к концу 2009 - 23 ГВт. При этом 70% фотовольтаических преобразователей
принадлежат Европе. EU (European Union - Евросоюз) сделал неимоверный рывок в
продвижении данной технологии на свой рынок, заняв лидирующие позиции, и даже
опередив США и Японию.
В свою очередь Япония поставила перед собой задачу - достичь к 2020 году 28 ГВт
установленных фотовольтаических преобразователей и к 2030 году - 53 ГВт
установленных фотовольтаических преобразователей. По мнению же экспертов более
реалистичной цифрой является 7 - 12 ГВт к 2014 году. Обещающими выглядят планы
1
European Photovoltaic Industry Association (EPIA) - Крупнейшее отраслевое объединение на рынке
солнечной энергетики
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
161
Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
США и Индии. Кроме того, Канада и Австралия, а также ЮАР, Бразилия, Мексика,
Египет, Израиль и Марокко - в списке, на который с надеждой смотрит EPIA в своем
ежегодном отчете.
Рисунок 1- Суммарное развитие солнечной энергетики в мире
Фотовольтаические преобразователи солнечной энергии, использующие в качестве
рабочего элемента кристаллический, поликристаллический, аморфный кремний или
комплексный полупроводниковый материал на основе CIGS (медь-индий-галлий-селен)
имеют КПД2 9-20%. Рекордный КПД – до 40% имеют лишь преобразователи на основе
AsGa (арсенид галлия)
Таблица 1-Сравнительный анализ КПД солнечных модулей (источник IEA3)
Технология
Кремневые модули
Монокремневые модули
Поликремневые модули
Тонкопленочные модули
Аморфный кремний
Теллурид кадмия
Селенид меди-индия-галлия
КПД
14-20%
13-15%
6-9%
9-11%
10-12%
Широко представленные на рынке фотовольтаические преобразователи используют
в основе кристаллический кремний. Преимуществами являются широкий спектр
поглощения солнечной энергии, практически перекрывающий всю область солнечного
излучения, высокая стабильность и долговечность, способность работать в широком
диапазоне температур. К недостаткам следует отнести относительно невысокий КПД, при
этом большая доля поглощенной энергии (80-90%) конвертируется в тепло. Недостатком
2
КПД - Отношение электрической мощности модуля к произведению плотности потока солнечной энергии
на площадь модуля
3
International Energy Agency (IEA) - Международное энергетическое агентство (МЭА) Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
162
Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
является также высокая стоимость полупроводникового материала, связанная с
необходимостью использовать кремний особой степени чистоты.
Исправить эти недостатки призван автономный солнечный модуль, совместная
разработка Тольяттинского государственного университета (ТГУ) и института
биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН. Суть технического решения заключается
в совмещении поверхностей фотовольтаического преобразования и поглощения тепла,
при этом работает единый фотовольтаический и теплособирательный элемент
освещаемый концентрированным солнечным излучением.
Положительным качеством системы является когенерация4 электрической и
тепловой энергии, что позволяет приблизиться к практически полному полезному
использованию энергии солнечного излучения
Автономный солнечный модуль состоит из пяти обязательных элементов
(солнечный модуль, накопительный резервуар, аккумулирующие батареи, инвертор и
система управления), обеспечивающих её эффективное функционирование.
Уровень концентрирования световой энергии в первом приближении определяется
отношением радиусов отражателя и рабочего элемента. Достижимым в рамках данной
конструкции является концентрирование солнечной энергии в 5-10 «солнц».
Система позволяет когенирировать электрическую и тепловую энергию с
температурой энергоносителя 40-160°C, получать электроэнергию до 150Вт/м2 плоской
освещаемой поверхности. Температура теплоносителя определяется интенсивностью
светового потока и скоростью прокачки теплоносителя через солнечный модуль.
Рисунок 2 - Схема солнечного модуля:
1 – солнечные лучи; 2 – солнечный модуль; 3 – разъем подключения АКБ; 4 –
бак сброса излишнего давления; 5 – система управления; 6 – аккумуляторная
батарея; 7 – инвертор; 8 – датчик температуры; 9 – предохранительный клапан; 10 –
входное отверстие (холодная вода); 11 – выходное отверстие (горячая вода); 12 –
накопительный резервуар с двумя теплообменниками; 13 – основной контур
отопления.
4
Когенерация ‐ Процесс совместной выработки электрической и тепловой энергии Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
163
Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
В основу функционирования солнечного модуля заложено семь базовых процессов:
1) улавливание солнечного излучения; 2) теплообмен; 3) консервация полученного тепла;
4) фотовольтаическое преобразование; 5) аккумулирование электроэнергии; 6) инвертор;
7) автоматизированный контроль системы.
Солнечный модуль – группа исполнительных элементов с фотовольтаическим
преобразователем и системой жидкостно-проточного теплосъема размещенная в корпусе,
с теплоизоляцией . Внутри корпуса установлены отражатели со светоотражающим
покрытием в фокусе которых находятся фотовольтаические преобразователи с трубками
из теплопроводящего материала. Количество трубок с фотовольтаическим
преобразователем может быть от одной до нескольких штук в зависимости от
необходимой мощности солнечного модуля. Корпус закрыт прозрачным экраном.
Входной и выходной патрубок, а также разъем для подключения фотовольтаического
преобразователя к блоку накопления электрической энергии расположены на торце
корпуса. Фотовольтаический преобразователь представляет собой трубку из хорошо
теплопроводящего материала, например, меди на внешнюю поверхность которого нанесен
слой полупроводниковой структуры. Рабочая среда представляет собой жидкость.
Рабочий элемент окружен прозрачной двухслойной газонепроницаемой оболочкой, из
пространства между слоями удален воздух, т. е. оно вакуумировано.
В начале работы солнечный модуль заполняют рабочей жидкостью для теплосъема и
обеспечивают ее циркуляцию. Солнечные лучи, проходя через прозрачный экран и
сфокусированные отражателями, попадают на трубу с фотовольтаическим
преобразователем, в результате часть энергии преобразуется в электричество, а другая
часть виде тепловых потерь нагревает непосредственно циркулирующую жидкость.
Рисунок 3 – Исполнительный элемент солнечного модуля:
1 –оболочка; 2 – фотовольтаический преобразователь; 3 – вакуум; 4 – рабочая
среда;
5 – отражатель.
Накопительный резервуар – бак заданного объёма в котором накапливается тёплая
вода, полученная от солнечного модуля. Бак выполнен в виде электрического бойлера с
одним или двумя внутренними теплообменными спиралями. Функции накопительного
резервуара: 1) накопление горячей воды, 2) сохранение полученного тепла, 3)
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
164
Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
дополнительный подогрев воды (при необходимости). По умолчанию резервуар
комплектуется электронагревателем, но дополнительный подогрев (в случае
необходимости) может осуществляться за счёт любой системы энергогенерирования (газ,
дизель, уголь, дрова и тд.).
Инвертор — устройство для преобразования постоянного тока в переменный ток с
изменением величины напряжения или без.
Система управления – комплекс автоматического контроля функционирования
солнечного модуля, накопительных установок, заряда АКБ, датчиков температуры и
давления, запорные элементы. Позволяет полностью автоматизировать процесс и
установить наиболее эффективный режим работы системы в течение суток в зависимости
от заданных Вами параметров, что реализуется при помощи микропроцессора
обеспечивающего следующие функции:
Солнечный модуль может быть установлен на любом более или менее освещённом
пространстве: как горизонтальном – крыши зданий, техплощадки, так и вертикальном –
балконы. При этом экспозиция (север-юг) и угол наклона (0-90˚) оказывают значение на
эффективность работы всей системы. Следует учесть, что функционирование системы
возможно в любое время года и погоду, однако наибольшая производительность
приходится на период весна-осень. Поэтому необходимо учитывать их минимальную
производительность, рассчитанную на холодный период года, когда количество
солнечной энергии снижается, а потребность в тепловой энергии – возрастает.
Солнечный модуль работает в автономном режиме и может применяться:1) для
сезонной установки, функционирует в тёплый период года, например для применения в
дачных посёлках; 2) всесезонное использование, обеспечивает круглогодичное
обеспечение теплом.
Эффект от применения автономного солнечного модуля выражается в следующем:
1. Основную стоимость традиционных фотовольтаических преобразователей
составляют полупроводниковые материалы высокой степени чистоты. Солнечный модуль
включает стадию концентрирования солнечной энергии в 2-20 раз на поверхности
фотоэлектрического преобразователя, что позволяет существенно уменьшить объем
использованного полупроводникового материала и существенно снизить стоимость
преобразователя.
2. КПД преобразования солнечного излучения в энергию составляет 10-20%.
Использование совмещенного фотовольтаического и теплового преобразователя
позволяет концентрировать в тепло оставшиеся 80-90% энергии солнечного излучения и
использовать это тепло для практических нужд.
Следует заметить, что в России 10 млн. человек не имеют доступа к электросетям.
Для производства электроэнергии они, как правило, используют дизельные генераторы.
Топливо нужно транспортировать. Стоимость же транспортировки в такие области, как
Республика Саха, по оценкам специалистов, в 2007 г. составила 1,2 млрд руб. Развитие
возобновляемой энергетики в таких регионах может способствовать получению
преимуществ децентрализованной генерации электроэнергии. Кроме того, топливо,
которое сейчас используется для транспортировки газа и нефти в оторванные от
магистральных сетей области можно продавать другим странам и иметь дополнительную
прибыль, а не сжигать это топливо цистернами для транспортировки. Учитывая все
вышесказанное, можно сделать вывод, что развитие возобновляемых энерготехнологий в
России может стать привлекательным бизнесом, однако до тех пор, пока правительство не
даст конкретных директив, развитие возобновляемой энергетики будет идти с «трудом».
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
165