Использование солнечной энергии (тема № 4)

1.

ТЕМА №4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
2.1 Общие сведения о солнечной энергетике
Солнце излучает огромное количество энергии – около 1,1⸱1020
кВт⸱ч в секунду.
Солнечный спектр состоит из:
- ультрафиолетовых волн длиной 0,28-0,38 мкм (около 2%
солнечного спектра, невидимы);
- видимых волн длиной 0,38-0,78 мкм (49% солнечного спектра);
- инфракрасных волн длиной 0,78-3,0 мкм (49% солнечного
спектра).
Плотность потока солнечной энергии (энергетическая
освещённость) на уровне экватора в ясный солнечный день составляет
1020 Вт/м2.
Энергетическая освещённость в общем случае зависит от:
- времени суток;
- географической широты;
1
- погодных условий;

2.

- сезона года;
- угла наклона поверхности по отношению к солнцу.
Энергетическая освещённость в условиях Центральной
Европы может колебаться от 1000 Вт/м2 (в ясный солнечный летний
день) до значений менее 100 Вт/м2 (в пасмурный зимний день).
Для условий Беларуси возможность использования солнечной
энергии можно охарактеризовать следующими цифрами:
- годовое количество солнечной энергии: 972-1139 кВт⸱ч/м2;
- средняя продолжительность солнечного сияния: 1815 ч в год;
- среднегодовая энергетическая освещённость: 110-140 Вт/м2;
- общий потенциал солнечной энергии: 2,7 млн т у.т. в год;
- технически возможный потенциал солнечной энергии: 0,6
млн т у.т. в год.
Солнечная энергетика – направление нетрадиционной
энергетики, основанное на непосредственном использовании
солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде.
Солнечная энергетика в настоящее время развивается по двум
направлениям:
2

3.

1) гелиотермальная энергетика – солнечная энергия сначала
преобразуется в тепловую через нагрев рабочей жидкости в солнечных
коллекторах, и только потом (при необходимости) в электрическую с
помощью различных устройств;
2) фотовольтаика (фотоэлектрическая энергетика) –
солнечная энергия преобразуется непосредственно в электрическую с
помощью фотоэлементов.
2.2 Гелиотермальная энергетика
Основной элемент гелиотермальных установок – солнечный
коллектор (СК), представляющий собой стеклянный или
пластмассовый корпус, в который заключены окрашенные в чёрный
цвет металлические трубки или пластины с жидкостным
теплоносителем внутри.
В зависимости от получаемой температуры СК можно
разделить на три типа:
- низкотемпературные (термосифонные) коллекторы (ниже
50 °C), применяемые для подогрева воды и обогрева помещений; 3

4.

- среднетемпературные коллекторы (60-80 °C), применяемые
для нагрева воды в жилом секторе;
- высокотемпературные коллекторы (гелиотермальные
электростанции), в которых теплоноситель нагревается до
температуры от 200 °C до 1000 °C.
Низкотемпературные коллекторы
Самый распространённый тип низкотемпературного СК – это
плоский коллектор. По типу теплоносителя плоские коллекторы
делятся на жидкостные и воздушные.
Основные элементы плоского жидкостного СК:
- абсорбер: медная или алюминиевая пластина, покрашенная в
чёрный цвет (может быть также покрыта специальным селективным
покрытием);
- циркуляционные трубки: по ним циркулирует теплоноситель
(вода или специальная смесь на основе пропилегликоля);
- стеклянная крышка (остекление);
4
- теплоизоляция;

5.

- аккумулирующий бак (в нём хранится горячая вода, нагретая
теплоносителем через теплообменник).
Аккумулирующий бак
Низкотемпературный
плоский жидкостный
коллектор
Плоский коллектор
Циркуляциноные трубки
Абсорбер
5

6.

Термосифонный низкотемпературный
плоский жидкостный коллектор
6

7.

Встречаются простейшие конструкции и без аккумулирующего
бака. В этом случае теплоносителем является вода, которая сразу же, без
накопления, поступает потребителю.
Основные элементы плоского воздушного СК:
- поглощающая панель (пластина): металлическая конструкция с
оребрением для циркуляции воздуха;
- остекление;
- теплоизоляция;
- корпус (каркас);
- вентилятор (в некоторых моделях).
Воздушный СК по сравнению с жидкостным СК:
- проще и дешевле – преимущество;
- передаёт теплоносителю (воздуху) меньше тепла, т.к. у воздуха
теплопроводность ниже по сравнению с жидкостью – недостаток.

8.

Поглощающая
Низкотемпературный плоский воздушный коллектор
Схема использования
воздушного коллектора

9.

Среднетемпературные коллекторы
Основной тип среднетемпературного СК – это вакуумный
коллектор.

10.

Главным элементом вакуумного коллектора является вакуумная
трубка.

11.

Вакуум между стенками вакуумной трубки позволяет
устранить потери тепла, связанные с теплопроводностью и
конвекцией.
Из всего разнообразия можно выделить 4 основных типа
вакуумных солнечных коллекторов:
1) с заполнением всего внутреннего пространства вакуумной
трубки теплоносителем (прямоточные низкого давления);
2) с U-образными медными трубками с теплоносителем
(прямоточные высокого давления);
3) с тепловыми трубками (замкнутая система типа Heat Pipe);
4) с тепловыми трубками увеличенной площади поглощения
(замкнутая система типа Super Heat Pipe).
11

12.

Вакуумные
трубки
Нагрев до 80 °C – 100 °C при
недопустимости высокого
давления жидкости на стенки
стеклянной вакуумной трубки
Принцип работы вакуумного коллектора с заполнением всего
внутреннего пространства теплоносителем
12

13.

Нагрев до 80 °C – 100 °C при
высоком давлении теплоносителя
Принцип работы вакуумного
коллектора с U-образной трубкой
13

14.

Нагрев до 160 °C – 180 °C
Принцип работы вакуумного коллектора с
тепловыми трубками Heat Pipe

15.

Нагрев до 200 °C – 230 °C
Принцип работы вакуумного
коллектора с тепловыми
трубками Super Heat Pipe

16.

В последнее время стали использовать вакуумные коллекторы, с
элементами, концентрирующими солнечный свет (концентраторами).
Концентратор – это зеркальная поверхность, собирающая
поток солнечного излучения и направляющая его на вакуумную трубку.

17.

Высокотемпературные коллекторы
Высокотемпературные коллекторы применяются в основном при
производстве электроэнергии (солнечные тепловые электростанции –
СТЭС) для электросетей, и в них используются концентраторы.
Принцип действия:
1) зеркальная поверхность концентратора фокусирует солнечный
свет, отраженный с большой поверхности, на меньшую поверхность
абсорбера (ёмкость с теплоносителем), благодаря чему теплоноситель
(масло, вода, расплавленная соль) нагревается до высокой температуры;
2) тепловая энергия используется непосредственно или
преобразуется в электроэнергию (с помощью паровой турбины и
электрогенератора или двигателя Стирлинга и электрогенератора).

18.

Классификация СТЭС
Солнечные тепловые электростанции
системы с линейным
концентратором
системы с точечной
фокусировкой
параболические
желоба
станции башенного
типа
концентраторы
Френеля
параболоидные
концентраторы
18

19.

Система СТЭС с
параболическими желобами

20.

Система СТЭС с
концентраторами Френеля
20

21.

СТЭС башенного типа

22.

Система СТЭС с параболоидными
концентраторами
(СТЭС тарельчатого типа)

23.

СТЭС с параболическими желобами:
- в трубке циркулирует теплоноситель на основе масла;
- температура нагрева теплоносителя – до 400 °C;
- теплоноситель отдаёт тепло воде через теплообменник, в
котором вода преобразуется в пар температурой около 390 °C.
Особенности концентратора Френеля в сравнении с
параболическими желобами:
- отражатели имеют почти плоскую, лишь слегка изогнутую
форму;
- вода нагревается и испаряется непосредственно в трубке теплоприемника, что способствует повышению эффективности станции;
- среднегодовая выработка электроэнергии у станций такого типа
меньше.
Особенности СТЭС башенного типа в сравнении с линейными
концентраторами:
- огромное количество плоских отражателей концентрируют
солнечную энергию фактически в одной точке (фокусе) до высокой
плотности;
23
- температура теплоносителя может превышать 1000 °C.

24.

Особенности СТЭС с параболоидными концентраторами:
- отражатели имеют вид тарелки (или нескольких тарелок);
- отражатель концентрирует солнечную энергию в фокусной
точке, в которой расположен теплоприёмник;
- в теплоприёмнике установлена ёмкость с теплоносителем,
двигатель Стирлинга и электрогенератор;
- теплоноситель нагревается до температуры 1000 °C и передаёт
тепло двигателю Стирлинга, который непосредственно приводит во
вращение электрогенератор.
24

25.

2.3 Фотовольтаика
Преобразование солнечного света в электроэнергию происходит
в изготовленных из полупроводникового материала (как правило,
кремния) фотоэлементах, которые под воздействием солнечного света
вырабатывают электрический ток.
Фотоэлектрическая
генерация
энергии
обусловлена
пространственным разделением положительных и отрицательных
носителей
заряда
при
поглощении
в
полупроводнике
электромагнитного излучения.
падающий
свет
антиотражающее
покрытие
Принцип работы
фотоэлемента
металлический
контакт
nкремний n-типа
p-
кремний p-типа
пространственный
заряд
поток
поток
электронов дырок
25
металлический контакт

26.

Фотоэлемент представляет собой “сэндвич” из двух слоёв
полупроводниковых фотоэлектрических плёнок (ФЭП) – n-слоя и p-слоя.
В настоящее время принято различать три поколения ФЭП:
1. Кристаллические (первое поколение):
- монокристаллические кремниевые;
- поликристаллические (мультикристаллические) кремниевые;
- технологии выращивания тонкостенных заготовок (EFG, S-web,
тонкослойный поликремний).
2. Тонкопленочные (второе поколение):
кремниевые:
аморфные,
микрокристаллические,
нанокристаллические, CSG;
- на основе теллурида кадмия (CdTe);
- на основе селенида меди-индия-галлия (CIGS).
3. ФЭП третьего поколения:
- фотосенсибилизованные красителем (DCS);
- органические (полимерные) ФЭП (OPV);
- неорганические (CTZSS);
26
- на основе каскадных структур.

27.

Современное производство фотоэлементов практически
полностью основано на кремнии (99% всех фотоэлементов).
Около 80 % всех фотоэлементов производится с
использованием поликристаллического или монокристаллического
кремния (1-е поколение ФЭП), а остальные 20 % применяют
аморфный кремний (2-е поколение ФЭП).
тонкоплёночный
фотоэлемент
из аморфного кремния
монокристаллический
(КПД: 6-10%)
поликристаллический
кремниевый
(мультикристаллический)
фотоэлемент
кремниевый фотоэлемент
(КПД: 16-22%)
(КПД: 13-17%)
27

28.

Каждый фотоэлемент под воздействием солнечного излучения
может вырабатывать ЭДС примерно в 0,5 В.
Для
получения
нужного
напряжения
и
мощности
фотоэлектрической установки отдельные фотоэлементы собирают в
фотоэлектрические (солнечные) модули (PV-модули).
Чаще всего в одном фотоэлектрическом модуле встречается 60
или 72 фотоэлемента, соединённые последовательно.
28

29.

резиновый
герметик
закалённое
стекло
плёнка
EVA
алюминиевая
рама
фольга
фотоэлементы
соединительная коробка
с шунтирующими диодами
29

30.

Монокристаллический
модуль
Тонкоплёночный
модуль
Поликристаллический
модуль
30

31.

Фотоэлектрические модули характеризуются следующими
основными электрическими параметрами, которые указываются для
стандартных условий (условий STC):
Pmax – максимальная (пиковая) мощность, Вт;
Uoc – напряжение холостого хода, В;
Isc – ток короткого замыкания, А;
Umpp – напряжение при максимальной мощности, В;
Impp – ток при максимальной мощности, А.
Кроме того, могут дополнительно указываться:
- тип фотоэлемента (монокристалл, поликристалл и т.д.);
- номинальное напряжение модуля, В;
- температурные коэффициенты по току, напряжению или
мощности, %/°C;
- коэффициент заполнения ВАХ модуля, %;
- максимальный КПД модуля, %;
- размеры модуля, мм;
- максимальное напряжение модуля, В,
31
и другие.

32.

Условия STC:
- температура модуля: 25 °C;
- энергетическая освещённость: 1000 Вт/м2;
- масса воздуха: AM 1,5.
Важной характеристикой, отражающей работоспособность и
техническое
состояние
PV-модуля,
является
вольт-амперная
характеристика (ВАХ) – это зависимость тока модуля от его
напряжения. Перемножение тока и напряжения даёт характеристику
мощности PV-модуля, т.е. зависимость его мощности от напряжения.
Вид ВАХ, мощность и качество работы PV-модулей зависят от
многих факторов, основными из которых являются:
• уровень энергетической освещённости (чем она больше, тем
большую мощность вырабатывает модуль);
• температура поверхности модуля (с повышением температуры
мощность снижается);
• затенение (частичное или полное) поверхности модуля (даже
небольшая тень от веток деревьев в зависимости от её расположения
может снизить мощность модуля в несколько раз);
• пыль, грязь, снег, посторонние предметы на поверхности
32
модуля могут значительно снизить его мощность, вплоть до нуля.

33.

I, А
E(1) = 1000 Вт/м2
Isc(1)
MPP(1)
Impp(1)
Isc(2)
E(2) = 500 Вт/м2
MPP(2)
Impp(2)
P, Вт
Umpp(2)
Pmax(1)
E(1) = 1000 Вт/м2
Pmax(2)
ВАХ PV-панели для двух
разных значений
энергетической
U, В
освещённости:
Uoc(1)
Umpp(1)
• E(1) = 1000 Вт/м2;
Uoc(2)
• E(2) = 500 Вт/м2
MPP(1)
MPP(2)
E(2) = 500 Вт/м2
Umpp(2) U
mpp(1)
U, В
Uoc(1)
Uoc(2)
33

34.

Isc(2) I, А
Isc(1)
Impp(2)
Impp(1)
MPP(1)
MPP(2)
t(1) = 25 oC
t(2) = 50 oC
P, Вт
Umpp(2)
Pmax(1)
Pmax(2)
ВАХ PV-панели для двух
разных значений
температуры поверхности:
U, В
• t(1) = 25 °C;
Uoc(2) Uoc(1)
• t(2) = 50 °C
Umpp(1)
MPP(1)
MPP(2)
t(1) = 25 oC
t(2) = 50 oC
Umpp(2)
U, В
Uoc(2) Uoc(1)
Umpp(1)
34

35.

- форма ВАХ при номинальных параметрах;
- фактическая форма ВАХ.
I
Нормальная ВАХ: повреждения,
нарушения нормальной работы модулей
и ошибки измерения отсутствуют.
U
I
Низкое значение тока Isc:
• сплошное затенение модуля;
• сплошные грязь, снег, мусор на модуле;
• старение (деградация) модуля.
U
35

36.

I
Низкое значение напряжения Uoc:
• замыкание шунтирующего диода.
U
I
Низкий
коэффициент
заполнения FF:
• загрязнение модуля;
• тени, имеющие сужающуюся
(коническую) форму;
• незначительное несовпадение
параметров последовательно или
параллельно соединённых панелей;
высокое
значение
U
последовательного сопротивления.
36

37.

I
Ступенчатая ВАХ:
небольшое
или
частичное
затенение модуля;
• блики на поверхности модуля;
частичное
(случайное)
загрязнение модуля (грязь, снег, мусор
и т.п.);
значительное
несовпадение
значений
Isc
разных
панелей,
соединённых последовательно;
• трещины одного или нескольких
U
слоёв модуля;
• наличие обожжённых участков.
37

38.

Для получения необходимой мощности и использования в
составе фотоэлектрической системы или станции (ФЭС) несколько
PV-модулей собирают вместе последовательно и/или параллельно в PVбатарею, а затем в PV-поле (число отдельных модулей на крупных ФЭС
может достигать несколько десятков и сотен тысяч).
PV-модуль
PV-батарея
PV-поле
38

39.

PV-батареи из
поликристаллических
модулей
PV-батареи из
тонкоплёночных
модулей
39

40.

ФЭС мощностью 35 МВт
40

41.

ФЭС можно условно разделить на два основных типа:
• автономная ФЭС;
• ФЭС, работающая параллельно с электрической сетью.
Автономная ФЭС состоит из следующих основных элементов:
• PV-батарея, собранная из отдельных PV-модулей;
• аккумулятор, накапливающий энергию;
• контроллер заряда аккумулятора;
• инвертор, преобразующий постоянное напряжение PV-батареи
и аккумулятора в переменное напряжение бытовых потребителей
электроэнергии (как правило 220 В частотой 50 Гц);
• электрические кабели, соединяющие все элементы ФЭС между
собой.
PV-батарея
41

42.

Номинальное напряжение PV-модулей промышленных ФЭС
обычно составляет 12 В или 24 В. Для получения более высокого
напряжения всей PV-батареи (в зависимости от напряжения
контроллера, аккумулятора и инвертора) отдельные PV-модули
соединяют последовательно:
• 12+12=24 В – 2 модуля по 12 В каждый;
• 12+12+12+12=48 В – 4 модуля по 12 В каждый;
• 24+24=48 В – 2 модуля по 24 В каждый,
и т.п., вплоть до напряжения PV-батареи 96 В.
Наиболее оптимальным со всех точек зрения является
напряжение всей батареи и отдельных модулей 24 В.
Аккумуляторы, используемые в автономных ФЭС, могут быть
свинцово-кислотные и щелочные.
В настоящее время наиболее предпочтительным вариантом по
соотношению цены и качества являются гелевые свинцово-кислотные
аккумуляторы, имеющие заявленный срок службы 10-12 лет.
Наиболее широко распространены аккумуляторы с номинальным
42
напряжением 12 В, и именно из них обычно собираются

43.

аккумуляторные батареи на любое напряжение, кратное этой величине, в
том числе 24, 48 и 96 В (в зависимости от рабочего напряжения всей
системы).
На рисунке показаны 3 варианта сборки аккумуляторной батареи
из 4 аккумуляторов (ёмкость каждого 100 А⸱ч, напряжение – 12 В),
соединённых последовательно и/или параллельно.
Рабочее напряжение 1-й сборки 12 В, 2-й – 24 В, 3-й – 48 В. При
этом запас электроэнергии в каждой из 3-х сборок одинаков и равен
4800 Вт⸱ч:
• 1-я сборка: W = 100⸱4⸱12 = 4800 Вт⸱ч;
• 2-я сборка: W = 100⸱2⸱24 = 4800 Вт⸱ч;
43
• 3-я сборка: W = 100⸱1⸱48 = 4800 Вт⸱ч.

44.

аккумуляторы для автономных ФЭС
Если батарея полностью заряжена, контроллер заряда снижает
уровень
вырабатываемого
PV-модулем
тока
до
величины,
компенсирующей естественные потери заряда. И наоборот, контроллер
прерывает поставку энергии на потребляющие приборы, когда
аккумулятор разряжается до критического уровня.
44

45.

контроллеры заряда для автономных ФЭС
Инвертор превращает постоянный ток низкого напряжения в
стандартный переменный (120 или 240 В, 50 или 60 ГЦ). Инверторы
бывают мощностью от 250 Вт до более 8 кВт и в зависимости от
мощности рассчитаны на входной постоянный ток напряжением 12, 24,
48 или 96 В. Электроэнергия, вырабатываемая современными
синусоидальными инверторами, отличается лучшим качеством, чем
поступающая из местной электросети.
45

46.

Инверторы для ФЭС
46

47.

Особенности типовых инверторов для ФЭС
47

48.

Использование ФЭС совместно с электрической сетью
возможно по следующим вариантам:
1) в качестве аварийного источника электроэнергии (автономная
ФЭС);
2) ФЭС работает параллельно с сетью.
В 1-м случае внутреннюю сеть объекта разбивают на 2
сегмента:
• незащищённый сегмент (электроприёмники могут получать
питание только от общественной системы электроснабжения или от
аварийного генератора);
• защищённый сегмент (электроприёмники питаются от ФЭС).
Защищённый сегмент в свою очередь делится на:
• автономный;
• переключаемый;
• подзаряжаемый.
К
незащищённому
сегменту
должно
подключаться
электрооборудование с минимальными требованиями к надёжности
электроснабжения и мощные электроприёмники (уличное и
декоративное освещение, большая часть розеток, электронагреватели,
48
вспомогательные насосы водоснабжения и т.п.).

49.

К
защищённому
сегменту
желательно
подключать
оборудование, критически важное для жизнеобеспечения объекта, а
также электроприёмники небольшой мощности (основные подающие
насосы системы водоснабжения, канализационные насосы, основное
освещение помещений, одну-две розетки в каждой комнате и санузлах,
компьютеры, телевизоры и т.п.).
Схема электроснабжения объекта
с автономным защищённым сегментом
49

50.

Автономный защищённый сегмент питается от инвертора, не
имеющим функции зарядки аккумуляторов от сети.
Это самостоятельная электросеть, которая не имеет (и не должна
иметь) ничего общего с электросетью объекта, питающейся от
общественных источников электроэнергии (незащищённого сегмента).
Аккумулятор в этом случае может заряжаться только от
фотоэлектрической батареи.
В таком варианте возможно наличие аварийного генератора,
который включается в работу в случае аварии в общественной внешней
сети, для временного питания электроприёмников незащищённого
сегмента.
Переключаемый защищённый сегмент имеет инвертор с
функцией подключения к общественной внешней сети и заряда
аккумулятора. В этом случае весь защищённый сегмент будет полностью
питаться от системы внешнего электроснабжения через инвертор,
который одновременно может заряжать аккумулятор. В случае
пропадания напряжения во внешней сети инвертор автоматически
50
переходит на питание от фотоэлектрической батареи и аккумулятора.

51.

Схема электроснабжения объекта
с переключаемым защищённым сегментом
Подзаряжаемый
защищённый
сегмент
аналогичен
автономному, за исключением того, что низковольтная часть системы
связана с незащищенным сегментом через зарядное устройство, которое
обеспечивает подзарядку аккумуляторов при наличии напряжения во
внешней общественной сети.
51

52.

Схема электроснабжения объекта
с подзаряжаемым защищённым сегментом
52

53.

Особенности работа ФЭС параллельно с сетью:
- накопители электроэнергии (аккумуляторы), как правило,
отсутствуют;
вся
выработанная
электроэнергия
выдаётся
непосредственно в общую электрическую сеть энергосистемы.
53