1. Сонячні фотоелектричні технології 1.1 Застосування сонячної енергетики Існує чотири основних типів сонячних електростанцій: 1) Автономні домашні станції - забезпечення електроенергією домашніх господарств і сіл, які не підключені до промислової системі електропостачання ( "Off-grid"). 2) Автономні промислові станції - електропостачання для широкого кола споживачів, таких як телекомунікаційні станції, відкачка води та навігаційні засоби. 3) Місцеві мережеві станції - забезпечення електроенергією конкретного, підключеного до мережі, споживача ( "On-grid"). 4) Промислові мережеві станції - забезпечення електроенергією великих груп споживачів, таких як селища, міста, заводи і ін. Мережеві СЕС Найпростіша схема мережевий сонячної електростанції (і найпростішої СЕС взагалі) представлена на рис. 1.1 Малюнок 1.1 - Схема мережевої сонячної електростанції; Для нормальної її роботи необхідно підключення до зовнішньої електромережі. Наявність і якість зовнішньої електромережі (крім сонця) має критичне значення для роботи СЕС. При її відсутності, або невідповідність нормам така СЕС стає марною навіть в саму сонячну і безхмарну погоду. Ця залежність від центрального електропостачання є головним недоліком таких СЕС. До переваг слід віднести відносну, але істотну дёшевость СЕС і більш високий загальний ККД системи в порівнянні з іншими типами СЕС. Ці дві якості роблять цей тип СЕС безсумнівно більш привабливим для вироблення електроенергії для її продажу по т.зв. «Зеленому тарифу». Гібридні СЕС (або автономні, з'єднані з мережею) Являє собою базову схему мережевої СЕС з додаванням банку акумуляторних батарей (АКБ), контролера заряду і заміною мережевого інвертора на гібридний. Відмінною особливістю є можливість запасати частину виробленої в сонячний період електроенергії в АКБ (рис. 1.2). Малюнок 1.2 - Схема автономної, з'єднаної з мережею (гібридної) СЕС; Завдяки наявності банку АКБ вони менш залежні від джерела центрального електропостачання. Такі СЕС застосовують переважно як частина системи безперебійного живлення там, де центральне електропостачання недостатньо або нестабільно. До недоліків слід віднести високу ціну системи, за рахунок банку АКБ і потужності інвертора, які повинні бути тим більше, чим більше потрібно часу безперебійної роботи і підключаються навантажень відповідно. 1.2 Склад обладнання фотоелектричної станції Малюнок 1.3 - Структурна схема типової мережевої сонячної електростанції До складу мережевої фотоелектричної системи входять наступні елементи: • Сонячні панелі, що виробляють під дією сонячного випромінювання постійний струм; • Мережеві інвертори, що перетворюють постійний струм (DC), що генерується сонячними панелями, в змінний (AC); • Система моніторингу, що дозволяє відстежувати параметри роботи сонячної електростанції; • Лічильники, призначені для контролю продуктивності системи та продажу електроенергії за "зеленим" тарифом і комунікаційне обладнання в вигляді АСКОЕ; • Опорні металоконструкції і елементи кріплення для розміщення сонячних панелей на земельній ділянці, даху будівлі і т.п. або рухомі поворотні трекери; • Централізована мережа - лінія електропередач, до якої приєднана електростанція; • Трансформатори; • Власні споживачі електроенергії (промислові чи побутові електроприлади). Можливі варіанти додаткової комплектації мережевих сонячних станцій: (1) установка акумуляторних батарей для харчування резервованої навантаження споживача в разі відключення зовнішньої електромережі; (2) встановлення системи контролю неприпустимість перетоків електроенергії, що генерується сонячною електростанцією, в загальну мережу; (3) трекерна система стеження за Сонцем, яка дозволяє утримувати сонячні модулі в оптимальному положенні відносно Сонця, максимально використовуючи всю доступну сонячну енергію; (4) системи моніторингу, дистанційної діагностики, зберігання даних і візуалізації, в режимі реального часу відображають повну інформацію і зберігають дані про роботу та стану системи. Інвертор (DC / AC converter) - пристрій для перетворення постійного струму в змінний зі зміною величини частоти і / або напруги. Зазвичай являє собою генератор періодичного напруги, за формою наближеного до синусоїді, або дискретного сигналу. Інвертори напруги можуть застосовуватися у вигляді окремого пристрою або входити до складу джерел і систем безперебійного живлення апаратури електричної енергії змінного струму. Сонячний генератор (яким би складним і великим він не був) може виробляти лише постійний струм. На щастя, є багато споживачів, що використовують саме постійний струм (зарядка акумуляторів, освітлення, радіоапаратура тощо), але споживачів змінної напруги 220В не менше. Для перетворення постійного струму акумуляторної батареї в змінний синусоїдальної форми, потрібен інвертор. Інвертори - напівпровідникові прилади. Вони можуть бути поділені на два типи відповідно до типу фотоелектричних систем: • інвертори для автономних систем сонячних панелей; • інвертори для мережевого використання. Вихідний каскад у обох типів багато в чому схожий, а основна відмінність в схемі управління. Перший тип має генератор частоти, а другий повинен працювати синхронно з промислової мережею (і як генератор частоти використовує саму мережу). Для всіх типів ключовий параметр - ККД (який повинен бути більше 90%). Вихідна напруга автономних інверторів як правило становить 220 (50/60 Гц), а в інверторах потужністю 10-100кВт можна отримувати трифазну напругу 380В. Всі автономні інвертори трансформують постійний струм акумуляторних батарей. Внаслідок цього вхідна напруга вибирається з ряду 12, 24, 48 і 120В. Чим більше вхідна напруга, тим простіше інвертор і тим вище його ККД. При великій напрузі істотно менше втрати на передачу енергії від сонячного генератора до акумуляторної батареї, регулятору зарядки і инвертору, однак при цьому ускладнюється конструкція сонячної електростанції і її експлуатація при небезпечних напружених (вище 40 В). До форми вихідного сигналу автономних інверторів пред'являються менш жорсткі вимоги. У ряді випадків (якщо дозволяє навантаження) можливе використання інверторів з трапецієподібним вихідним сигналом. Такі інвертори коштують в 2-3 рази дешевше інверторів з синусоїдальним вихідним сигналом. Важливий параметр автономних інверторів - залежність ККД від потужності підключеного навантаження. ККД не повинен значно знижуватися при підключенні навантаження в десять разів меншою (по споживаної потужності), ніж номінальна потужність інвертора. Разом з тим інвертор повинен витримувати перевантаження в вихідних ланцюгах (при підключенні електродвигунів і інших динамічних навантажень). Таким чином, до автономного інвертору ставляться такі вимоги: • здатність переносити без наслідків перевантаження (як короткочасні, так і тривалі); • маленькі втрати при малих навантаженнях і на холостому ходу; • стабілізація вихідної напруги; • низький коефіцієнт гармонік; • високий ККД; • відсутність перешкод на радіочастотах Іноземні фірми пропонують широкий асортимент інверторів, спеціально розроблених для сонячних панелей. Такі інвертори вже мають блок регулятора відбору максимальної потужності, блок регулятора заряду, а також додатковий вхід підключення дизель-генератора (для екстреної підзарядки акумуляторної батареї). До вихідного сигналу мережевих інверторів пред'являються найжорсткіші вимоги. Для зниження втрат на перетворення такі інвертори працюють при високих вхідних напругах. Оскільки їх вхідні кола живляться безпосередньо від сонячної панелі, інвертори мають регулятор відбору максимальної потужності (вбудований в інвертор). Мережеві інвертори мають також блок контролю потужності сонячної панелі (і включаються автоматично, як тільки потужність сонячної панелі стає достатньою для формування змінного сигналу). Система моніторингу. Енергоефективність сонячних електростанцій залежить від ступеня надійності, економічності експлуатації та оптимізації роботи всіх компонентів системи. Для цього необхідний безперервний моніторинг ефективності роботи обладнання, який, одночасно, дозволяє своєчасно виявити порушення в роботі сонячних панелей і інших компонентів системи, а також контролювати доступ до окремих модулів. Сонячна установка складається з модулів, які реєструють сигнали датчиків струму, напруги і температури окремих сонячних панелей, а також датчиків швидкості вітру, положення Сонця, дверних датчиків або датчиків несанкціонованого доступу до мережевих інверторів. Модулі розраховані на установку на DIN-рейку, в залежності від їх кількості та ін. Вимог, вбудовуються в сполучні короба або в шафи управління. Системні модулі з'єднані з локальним контролером, який, в свою чергу, пов'язаний з контролером більш високого рівня по шині Modbus RS485 або CAN. Модульна побудова забезпечує високу гнучкість конфігурації і розширення системи. Завдяки цьому модулі підходять для застосування як в солярних парках, так і в невеликих (міні) електростанціях Малюнок 1.4 - Приклад роботи системи моніторингу: Приблизно об 11:00 у одній гілці панелей спостерігається падіння продуктивності. В чому причина? - Тінь від труби! (Малюнок 1.5) Ще один приклад, який показує, як тінь від дерева створює падіння продуктивності в одній гілці панелей. Чи впливає спека на роботу сонячних панелей? Через високу температуру панелей і відсутності вітру, видно що з 14: 0016: 00 сонячні панелі не працюють з максимальною ефективністю. Про це свідчить крива сонячної радіації (зелена). Можлива причина - недостатня вентиляція між панелями і дахом. Чи не пошкоджена якась панель? После 13:00 одна гілка панелей перестала працювати. Причина - вихід з ладу однієї сполучної коробки панелі, як результат вся одна гілка панелей не працює, створюючи великі втрати енергії. Чи всі інвертори працюють ефективно? На цьому графіку можна спостерігати роботу сонячної електростанції з двома інверторами, один з яких пошкоджений. Акумуляторні батареї. Вироблену сонячною панеллю енергію можна зберігати в різних формах: • хімічна енергія в електрохімічних акумуляторах; • потенційна енергія води в резервуарах; • теплова енергія в теплових акумуляторах; • кінетична енергія обертових мас або стисненого повітря. • khimichna enerhiya v elektrokhimichnykh akumuly. Для сонячних панелей більше підходять електро-акумулятори, так як сонячні панелі виробляють, а споживач споживає електроенергію, яка безпосередньо і запасається в акумуляторі. Виняток - сонячні станції для водопостачання, де споживається вода, а енергія запасається в потенційної енергії води у водонапірній башті. У більшості фотоелектричних систем застосовують свинцево-кислотні акумулятори. Потрібно відразу підкреслити, що акумулятори спеціально призначені для сонячних панелей (і інших подібних систем), істотно відрізняються від стартерних автомобільних акумуляторів, нехай навіть мають в основі ту ж саму технологію. Головними умовами за вибором акумуляторів є: • стійкість до циклічного режиму роботи; • здатність переносити без наслідків глибокий розряд; • низький саморозряд акумулятора; • некритичність до порушення умов заряджання та розряджання; • довговічність; • простота в обслуговуванні; • компактність і герметичність (важливий критерій для переносних або періодично демонтуються сонячних панелей). Цим вимогам в повній мірі задовольняють акумулятори, виготовлені за технологіями "dryfit" і AGM (адсорбований електроліт) або рекомбинационной технології. Вони характеризуються відсутністю експлуатаційних витрат і перекривають діапазон ємностей 112000 А • год, що дозволяє задовольняти вимогам всіх споживачів. Ці акумулятори відрізняються зниженим газовиділенням і рекомбінацією кисню. Внаслідок цього вода електроліту НЕ електролізу і не випаровується, і такі акумулятори не вимагають доливання електроліту. Наприклад, акумулятори однієї з фірм з трубчастими позитивними пластинами, мають такі характеристики: • великий термін служби -15 років; • стійкість до циклічного режиму - понад 1200 циклів; • відсутність необхідності обслуговування протягом всього терміну служби; • мінімальне газовиділення (завдяки застосуванню сплаву без сурми і використанню технології внутрішньої рекомбінації газу); • саморазряд - приблизно 3% в місяць. Внаслідок високої вартості таких акумуляторів, з'являється бажання використовувати звичайні стартерні свинцево-кислотні акумуляторні батареї (автомобільний акумулятор). Термін служби таких акумуляторів в складі сонячної електростанції - не більше 3-5 років. Внаслідок цього за термін використання сонячної панелі (15-20 років і більше) необхідно буде міняти акумулятори (до цього додадуться витрати на обслуговування акумуляторів і обладнання приміщень). Заради продовження терміну служби акумуляторів при циклічному режимі роботи в сонячних панелях важливо не допускати глибокого розряду. Рівень розряду характеризується глибиною розряду, яка виражається у відсотках від номінальної ємності акумулятора. На малюнку 5 зображена залежність ємності акумулятора (у відсотках від номінальної) від кількості відпрацьованих циклів при різній глибині розряду (акумулятори FIAMM GS). Таким чином, використовуйте акумуляторні батареї за глибокому розряді веде до їх більш частої заміни і, відповідно, до подорожчання системи. Глибину розряду акумуляторів сонячних панелей намагаються обмежити на рівні 30-40%, що досягається відключенням навантаження (або зниженням потужності) або використанням акумуляторів більшої місткості. Залежність ємності акумулятора від кількості відпрацьованіх ціклів при різній глібіні розряду: 1.10 - Залежність ємності акумулятора від кількості відпрацьованих циклів при різній глибині розряду Внаслідок цього, для управління процесом зарядки і вибору оптимального режиму, до складу сонячної електростанції обов'язково включають контролери зарядки-розрядки акумуляторної батареї.
