суббота, 23 января 2010 г.

Фотоэлектрические системы. Перспективы. Состав. Параметры.

Возобновляемые источники энергии.
Ни для кого не секрет, что достаточное, доступное энергообеспечение лежит в основе функционирования любого производства, а вместе с ним и человеческой цивилизации. Сегодня мы уже не мыслим свою жизнь без тех технических достижений, которые сегодня имеем, но не задумываемся над тем, что все эти достижения стали возможны только за счет освоения новых видов энергии, новых способов добычи первичных энергоносителей, а также освоения новых месторождений полезных ископаемых и территорий.
Конечно же, добыча энергии во все больших количествах, требуемых нашей непрерывно возрастающей потребностью улучшить свой быт, не может не сказываться на экологическом состоянии планеты. Выбросы тепловых электростанций состоят в основном из углекислого газа, который вызывает парниковый эффект и глобальное потепление климата. Другие выбросы включают оксиды серы, азота, которые, соединяясь в атмосфере с водой, вызывают кислотные дожди. Повышенная кислотность почвы приводит к снижению плодородия почвы, засыханию лесов, уменьшению рыбных запасов. Токсичные тяжелые металлы легче растворяются в кислой воде и могут попадать в питьевую воду и продукты питания.
Применение атомных электростанций не решает проблемы экологической чистоты. При работе АЭС в атмосферу во всем мире выбрасывается до 26 тонн радиоактивных отходов в день. Кроме того, эксплуатация атомных станций связана с известной опасностью, так как авария на АЭС может вызвать крупную экологическую катастрофу.
Но дело не только в этом. Проблема заключается в том, что запасы энергетических ресурсов, главными из которых по-прежнему остаются нефть, уголь и газ, далеко не бесконечны. Эти ресурсы относят к невозобновляемым. Согласно отчету экспертной комиссии Института мировых ресурсов (ИМР) в Вашингтоне, запасы нефти начнут истощаться уже к 2007 году. ИМР не разделяет широко распространившееся оптимистическое мнение о том, что при сохранении современных темпов потребления нефти хватит еще на 50 лет, так как заявления многих нефтедобывающих компаний о своих запасах вызывают большие сомнения. По оценкам некоторых зарубежных экспертов мировые запасы нефти составляют 1800‑2300 млрд. баррелей. Как только ресурсы нефти начнут снижаться, повышение себестоимости и трудоемкость добычи неизбежно приведут к сокращению объема добываемого сырья. Это произойдет между 2007 и 2014 годом. Запасы урана на данный момент оцениваются приблизительно в 2760 тыс. тонн. При современном потреблении запасов урана хватит не более чем на 50 лет.
Следует обратить внимание на цены. В настоящее время ни в одной стране мира общие затраты на производство электроэнергии не отражены в тарифах, а распределяются на затраты всего общества. Затраты вследствие загрязнения окружающей среды также не включаются в тарифы, хотя некоторые страны пытаются ввести "экологический налог". Такое положение фактически означает жизнь в кредит у будущего поколения, которому придется учитывать все затраты и ликвидировать последствия. Поскольку цены остаются все еще низкими, правительства не особенно готовятся к предстоящему экономическому потрясению.
Первым вестником энергетического кризиса был кризис 70х годов. Примерно это время следует считать началом повышенного интереса к возобновляемым источникам энергии.
К таким источникам энергии, прежде всего, относятся:
·        солнечная энергия,
·        энергия ветра,
·        гидроэнергия,
·        энергия биомассы.
Преобразование солнечной энергии в доступные виды осуществляется двумя способами: фотоэлектрическое преобразование (прямое преобразование световой энергии в электрическую) и фототермическое преобразование (преобразование световой энергии в тепловую, а затем при необходимости, например с помощью пара, в электрическую).


При использовании этих источников решается проблема ограниченности ресурсов энергии. Ниже приведены значения потенциальной энергии таких источников (в триллионах тонн условного топлива в год):
Солнечная энергия
131
Ветровая энергия
2
Гидроэнергия
7
Энергия биомассы
0,1


Уголь
11
Уран
8


Мировое потребление
0,01
Таким образом, ресурсы любого из этих источников энергии достаточны для обеспечения потребностей человечества в энергии, как в настоящем, так и в будущем.
Широкое использование этих источников энергии позволит решить и проблему экологии.
Какой именно источник энергии найдет наиболее широкое применение, покажет только будущее, но проанализировать предпосылки можно уже и сегодня.

Почему солнечная?

Попробуем сравнить основные возобновляемые источники энергии по следующим показателям.
1.                Занимаемые площади. Если учитывать площади непосредственно занимаемые самими электростанциями, то здесь цифры следующие (МВт/км2):
Солнечные станции
50...100
Ветровые станции
до 15
Гидростанции
до 10
Энергия биомассы
до 5


Тепловые станции
до 30
Атомные станции
60...120

При расчетах принималось, что все земли имеют одинаковую ценность. Для тепловых и атомных станций в расчет включены территории, занятые под добычу угля, руды. Площади, занятые под размещения производства строительных и конструкционных материалов не учитывались, т.к. эти площади примерно одинаковы для станций разных типов. Следует отметить, что ожидается снижение данного показателя для атомных станций за счет использования территорий, занятых под захоронение отходов. Для солнечных станций ожидается увеличение данного показателя, особенно для фотоэлектрических станций, за счет увеличения КПД преобразователей и более широкого использования возможности размещения их на крышах зданий.
2.                Энергоотдача. Данный показатель определяется как отношение количества энергии, выработанное системой за срок службы, к количеству энергии, затраченной на производство материалов и оборудования для этой системы. Данный показатель является основным с точки зрения будущего полного перехода на возобновляемые источники энергии, т.к. характеризует реальный прирост энергии к общему балансу. Здесь цифры следующие:
Солнечные станции

  фотоэлектрические
10...100
  фототермические
10...50
Ветровые
более 20
Энергия биомассы
более 20


Тепловые станции
более 15
Атомные станции
6...1

Из таблицы видно, что наилучший показатель по данному параметру имеют солнечные станции, и в перспективе ожидается, что значение будет еще улучшаться. Следует заметить, что в случае фотоэлектричества мы не только получаем возобновляемую энергию, но расходуем минимальное количество невозобновляемых материалов (а к ним относятся практически все материалы, кроме, например, древесины), более того, запасы основного материала кремния (стекло, солнечные элементы) достаточно велики.
Фотоэлектрическое преобразование обладает значительными потенциальными преимуществами:
·        не имеет движущихся частей, что существенно упрощает и снижает стоимость обслуживания,срок службы, вероятно, будет достигать 100 лет (проблема не в самих преобразователях, а в герметизирующих материалах) при незначительном снижении эксплуатационных характеристик,
·        эффективно использует как прямое, так и рассеянное (диффузное) солнечное излучение,
·        не требует высокой квалификации обслуживающего персонала,
·        пригодно для создания установок практически любой мощности.
В настоящее время сфера использования фотоэлектрических преобразователей (или солнечных батарей, солнечных модулей, PV-модулей) быстро и стремительно расширяется. Установочная мощность систем лежит в диапазоне от нескольких ватт (и даже менее) до нескольких мегаватт.
В таблице ниже приведены сегменты рынка фотоэлектричества производство в МВт/год.
Сектор
1984, МВт
1989, МВт
1995, МВт
Дистанционная связь, телесвязь
4
9
12...15
Водо-насосные станции
0,4
1
5...10
Электропитание изолированных удаленных обьектов
3
10
30...35
Сетевые станции
6
0,5
12...16
Всего
13,4
21
59...76
Таким образом, все фотоэлектрические системы можно разделить на два основных типа: автономные и соединенные с промышленной электрической сетью.

Типы фотоэлектрических систем.

Автономные системы предназначены для электроснабжения передвижных объектов или объектов, удаленных от основных линий электропередач, в труднодоступных местах или местах, куда прокладка линии затруднена или невыгодна по экономическим причинам. Схема такой станции приведена на Рисунок 1.
Использование в таких условиях фотоэлектричества наиболее эффективно и оправдано, стоимость 1 кВтч электроэнергии оказывается значительно ниже. Мощность таких систем лежит в пределах 0,01…100кВт. 


Рисунок 1

Станции второго типа выработанную энергию отдают непосредственно в промышленную сеть, которая служит одновременно и накопителем энергии и ее распределителем. Такие системы, установленные в городе на крышах и стенах зданий, могут обеспечить электричеством как само здание, так и компенсировать энергодефицит при пиковом потреблениии энергии в полуденное время. Схема такой станции приведена на Рисунок 2. Мощность таких станций может достигать нескольких МВт.
 
Рисунок 2

Компоненты системы

Рассмотрим основные компоненты фотоэлектрических автономных систем.
1. Солнечные модули.
Солнечные модули являются основной и неотъемлемой частью фотоэлектрической системы любого типа (типы систем рассмотрим ниже). Наибольшее распространение получили солнечные модули, изготовляемые из монокристаллических или поликристаллических кремниевых солнечных элементов.
Солнечные элементы могут быть круглыми диаметром 100, 125, 150 мм или квадратными размером 82х82 мм, 100х100 мм или 125х125 мм. Мощность элементов от 0,9 до 2,7 Вт.
Солнечные модули, предназначенные для наземного использования, обычно конструируются для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12В. Для этого 36 солнечных элементов соединяются последовательно и собираются в модуль, разрез которого показан на Рисунок 3. Полученный пакет обычно обрамляют в алюминиевую раму, облегчающую крепление к несущей опорной конструкции. Мощность солнечных модулей может быть от 10 до 300 Вт.

Рисунок 3
Электрические параметры солнечного модуля представляются в виде вольтамперной кривой, снятой при стандартных условиях (Standard Test Condition), т.е. мощность солнечной радиации 1000Вт/м2, температура элементов 25оС и солнечный спектр на широте 45о (Рисунок 4.)
 
Рисунок 4
Точка пересечения кривой с осью напряжений называется напряжением холостого хода Voc, точка пересечения с осью токов – током короткого замыкания Isc. На этом же рисунке приведена кривая мощности, отбираемой от солнечного модуля в зависимости от напряжения нагрузки. Номинальная мощность модуля определяется как наибольшая мощность при STC. Значение напряжения, соответствующее максимальной мощности называется напряжением максимальной мощности Vmp (рабочим напряжением), а соответствующий ток – током максимальной мощности Imp (рабочим током). Значение рабочего напряжения для модуля, состоящего из 36 элементов, таким образом, будет около 16…17В (0,45-0,47В на элемент) при 25оС. Такой запас по напряжению необходим для того, чтобы компенсировать снижение рабочего напряжения при нагреве модуля излучением: температурный коэффициент напряжения холостого хода для кремния около минус 0,4%/градус. Температурный коэффициент тока положительный и составляет 0,07%/градус. Следует заметить, что напряжение холостого хода модуля мало изменяется с изменением освещенности, в то время как ток короткого замыкания прямо пропорционален освещенности. КПД солнечного модуля определяется как отношение максимальной мощности к общей мощности излучения, падающей на его поверхность при STC, и составляет 11…15%.
Для получения необходимой мощности и рабочего напряжения модули соединяют последовательно или параллельно. Соединенные таким образом модули образуют фотоэлектрический генератор. Мощность генератора всегда меньше, чем сумма мощностей модулей вследствие потерь, обусловленных различием в характеристиках однотипных модулей, потерь на рассогласование. Чем тщательнее подобраны модули в генераторе или, чем меньше различие в характеристиках модулей, тем меньше потери на рассогласование. Например, при соединении 10 модулей последовательно с разбросом характеристик 10% потери составляют около 6%, при разбросе 5% потери уменьшаются до 2%.
При затенении одного модуля в генераторе при последовательном соединении модулей (или при затенении части элементов в модуле) возникает "эффект горячего пятна" – затененный модуль (элемент) начинает рассеивать всю производимую освещенными модулями (элементами) мощность, быстро нагревается и выходит из строя. Для устранения данного эффекта параллельно с каждым модулем (или его частью) устанавливают шунтирующий диод. Такой диод необходим при соединении последовательно более двух модулей. К каждой линейке последовательно соединенных модулей подключается также блокирующий диод для выравнивания напряжений линеек. Все эти диоды обычно размещаются в соединительной коробке самого модуля. Схема генератора приведена на Рисунок 5.


 Рисунок 5
Модули устанавливается на стальных или алюминиевых опорных конструкциях непосредственно на земле. Модули также могут быть установлены на крыше или на фасаде здания и служить одновременно кровельным или защитным материалом.
Вольтамперная кривая генератора имеет тот же вид, что и для единичного модуля. Естественно, что далеко не всегда рабочая точка генератора, подключенного к нагрузке, совпадает с точкой максимальной мощности, тем более что положение последней зависит и от условий освещенности, и от температуры окружающей среды. Подключение таких нагрузок, как, например, электродвигатель, может сдвинуть рабочую точку системы в область минимальной или даже нулевой мощности и двигатель просто не запустится. Поэтому следующим важным компонентом солнечных электрических систем являются преобразователи напряжения, способные согласовывать солнечный модуль с нагрузкой.

2. Регуляторы отбора малой мощности. 
В этих устройствах, как правило, реализуется принцип поиска максимума мощности путем коротких периодических изменений положения рабочей точки. Если при этом мощность на выходе прибора увеличивается, то положение рабочей точки изменяется в этом направлении при следующем шаге. Таким образом, прибор постоянно оптимизирует свою нагрузочную характеристику для обеспечения отбора максимальной мощности и обеспечивает возможность регулирования в широком динамическом диапазоне, и позволяет формировать импульсы тока, способные заряжать аккумуляторную батарею даже в условиях малой освещенности. Этот достаточно простой алгоритм может быть улучшен путем запоминания часто повторяющихся направлений смещения рабочей точки для устранения шагов смещения в ложных направлениях, что бывает важно в условиях быстро меняющейся освещенности. На выходе регулятор формирует импульсы тока постоянного напряжения, ширина и частота следования которых зависит от мощности, производимой солнечным модулем в данный момент. При этом, если рабочее напряжение нагрузки меньше, чем рабочее напряжение модуля, то можно получать большие значения токов в нагрузке, чем ток короткого замыкания в модуле. Следует принимать во внимание, что регуляторы имеют КПД 0,85..0,95.
Отметим, что самый большой выигрыш в мощности регулятор дает при работе модуля, собранного из 36 элементов, на аккумуляторную батарею 12В при низких значениях температуры окружающего воздуха.

Рисунок 6

3. Аккумуляторные батареи
Выработанную солнечными модулями энергию необходимо сохранить, т.к. потребитель нуждается в энергии не только когда светит солнце, а чаще как раз наоборот. Энергию можно запасать в различных формах:
·        химическая энергия в электрохимических аккумуляторах;
·        потенциальная энергия воды в резервуарах;
·        тепловая энергия в тепловых аккумуляторах;
·        кинетическая энергия вращающихся масс или сжатого воздуха в резервуарах;
Для фотоэлектричества наиболее подходят электрохимические аккумуляторы, т.к. солнечный модуль производит, а потребитель потребляет электроэнергию, которая непосредственно и запасается в аккумуляторе. Исключением можно считать солнечные станции для водоснабжения, где потребляется вода. Здесь энергия хранится в потенциальной форме в водных резервуарах.
Аккумуляторы являются химическими источниками электрической энергии многоразового действия. Они состоят из двух электродов (положительного и отрицательного), электролита и корпуса. Накопление энергии в аккумуляторе происходит при протекании химической реакции окисления-восстановления электродов. При разряде аккумулятора происходят обратные процессы. Напряжение аккумулятора - это разность потенциалов между полюсами аккумулятора при фиксированной нагрузке.
Для получения достаточно больших значений напряжений или заряда отдельные аккумуляторы соединяются между собой последовательно или в батареи. Существует ряд общепринятых напряжений для аккумуляторных батарей: 2; 4; 6; 12; 24, 48, 120 В. В солнечных системах до 1Квт используется напряжение 12 или 24В, до 5 кВт 48 или 120В, свыше 5 кВт – более 120В.
Под отдаваемой емкостью следует понимать максимальное количество электричества в кулонах (ампер часах), которое аккумулятор отдает при разряде до выбранного конечного напряжения. В условном обозначении типа аккумулятора приводится номинальная емкость, т.е. емкость при нормальных условиях разряда (при разряде номинальным током и, обычно, при температуре20°С).
Для облегчения выбора соответствующего потребителю энергии аккумулятора сравним некоторые характеристики.

Зависимость удельной энергии от температуры окружающей среды и стоимость энергии
Тип аккумулятора
Удельная энергия, Вт ч/кг, при температуре, оС
Относительная стоимость 1 Втч энергии

-40
-20
0
120

Свинцово-кислотный
8
18
29
36
1
Кадмиево-никелевый ламельный
5
11
16
20
3
Кадмиево-никелевый, безламельный
19
26
33
38
13
Железоникелевый
-
9
13
18
2
Серебряно-цинковый
6
35
75
90
15

Весовая удельная энергия серебряно-цинковых аккумуляторов в значительно большей степени зависит от температуры. Примерно так же зависит от температуры объемная удельная энергия аккумуляторов.
Очень важной характеристикой аккумуляторов является ориентировочная относительная стоимость 1 Втч энергии, полученной от различных типов аккумуляторов одинаковой емкости. Дороже всего обходится энергия, получаемая от серебряно-цинковых и кадмиевых аккумуляторов, и дешевле от свинцово-кислотных, принятых в данном случае за единицу.
В фотоэлектричестве подавляющее большинство систем используют свинцово-кислотные аккумуляторы. Аккумулятор состоит из положительного и отрицательного электродов, раствора серной кислоты (27...39%-ный раствор) и сепаратора, разделяющего положительные и отрицательные пластины.
Применяются два типа электродов: поверхностные и пастированные. Поверхностный электрод состоит из свинцовой пластины, на поверхности которой электрохимическим способом формируется слой активной массы. Пастированные электроды подразделяются на решетчатые (намазные), коробчатые и панцирные. В решетчатых (намазных) электродах активная масса удерживается в решетке из свинцово-сурьмяного сплава толщиной 1...4мм. В коробчатых пластинах решетки с активной массой закрываются с двух сторон перфорированными свинцовыми листами.

Панцирные пластины состоят из свинцово-сурьмяных штырей, которые помещаются внутри пластмассовых перфорированных трубок, заполненных активированной массой. Для отрицательных электродов используются намазные и коробчатые пластины, для положительных - поверхностные, намазные и панцирные. В качестве сепараторов применяют микропористые пластины из вулканизированного каучука (мипор), поливинилхлорида (мипласт) и стекловолокна.
Свинцовые аккумуляторы обычно помещают в моноблок из эбонита, термопласта, полипропилена, полистирола, полиэтилена, асфальтопековой композиции, керамики или стекла. Аккумуляторы емкостью до 200Ач обычно соединяют последовательно по 3 или 6 штук для получения напряжения 6 или 12В и помещают в единый моноблок. Аккумуляторы большей емкости соединяют при установке до получения необходимого напряжения.

Основными условиями по выбору аккумуляторов являются:
·        стойкость к циклическому режиму работы;
·        способность выдерживать глубокий разряд;
·        низкий саморазряд;
·        некритичность к нарушению условий зарядки и разрядки;
·        долговечность;
·        простота в обслуживании;
Для переносных или периодически демонтируемых солнечных систем важным параметром также оказываются компактность и герметичность.
Этим требованиям в полной мере удовлетворяют аккумуляторы, выполненные по технологии "dryfit" и AGM (абсорбированный электролит) или по рекомбинационной технологии. Они характеризуются отсутствием эксплуатационных затрат и перекрывают диапазон емкостей от 1 до 12000Ач, что позволяет удовлетворить требования любого потребителя. Выделяющиеся при зарядке газы не покидают аккумулятор, что приводит к отсутствию расхода электролита и соответственно обслуживания. Например, серия аккумуляторов SMG фирмы FIAMM (Италия) объединяет преимущества рекомбинационной технологии и преимущества обычных открытых батарей с трубчатыми положительными пластинами. Аккумуляторы имеют длительный срок службы – 15 лет, стойкость к циклическому режиму – более 1200 циклов, отсутствие необходимости обслуживания на протяжении всего срока службы, минимальное газовыделение благодаря использованию сплава без сурьмы и применению технологии внутренней рекомбинации газа, отсутствие пуско-наладочных работ. Саморазряд составляет около 3% месяц.

Стоимость аккумуляторов и батарей такого типа достаточно высока: 150…250 $/кВтч. Поэтому, в обоснованных случаях, возможно использование обычных стартерных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, стоимость которых 25…35 $/кВтч. Однако следует учитывать, что срок эксплуатации таких батарей в составе солнечной станции не более 3-5 лет, поэтому за срок эксплуатации станции (15…20 лет и более) необходимо будет производить замену батарей на новые, плюс затраты на обслуживание батарей и оборудование помещений. Если обслуживание проводит сам потребитель, а так бывает при использовании фотоэлектричества для электроснабжения отдельно стоящих удаленных жилых объектов (лесничества, дачные, сторожевые домики), и учитывая повсеместную распространенность данного типа батарей, то их применение в солнечных станций вполне оправдано.
Для получения необходимого рабочего напряжения аккумуляторы или аккумуляторные батареи соединяют последовательно. При этом:
·        применяют аккумуляторы только одного типа, выпущенные одним производителем;
·        используют все аккумуляторы одновременно, не делают отводов от отдельных частей;
·        не соединяют аккумуляторы в одну группу с разницей в дате выпуска более чем на месяц;
·        обеспечивают разницу  температур отдельных аккумуляторов не более 3оС
Правильный заряд и разряд является одним из наиболее важных условий, позволяющих обеспечить длительный срок службы аккумуляторных батареи. Чрезмерный заряд батареи не только уменьшает количество электролита, но может быстро вывести из строя элементы. Это наступает при превышении напряжения на одном аккумуляторе 2,4..2,45В при 20оС. Поэтому при зарядке ограничивают напряжение на уровне 2,3..2,4В (каждый производитель указывает точное значение в зависимости от типа аккумулятора). Это значение изменяется в зависимости от температуры электролита.
Для продления срока службы аккумуляторов при циклическом режиме работы в солнечных системах также важно не допускать и глубокого разряда. Степень разряда характеризуется глубиной разряда (DOD), выражаемую в процентах от номинальной емкости аккумулятора. На Рисунок 7 приведена зависимость емкости аккумулятора в процентах от номинальной в зависимости от количества отработанных циклов при различной глубине разряда (тип аккумуляторов FIAMM GS). Таким образом, эксплуатация аккумуляторов при глубоких разрядах приводит к необходимости их более частой замены и обслуживания и соответственно к удорожанию системы. Глубину разряда аккумуляторов в солнечных системах стремятся ограничить на уровне 30%...40%, что достигается или отключением (снижением мощности) нагрузки или использованием аккумуляторов большей емкости.



Рисунок 7
Поэтому для контроля процесса зарядки и выбора оптимального режима в состав солнечной электрической станции, как обязательный элемент, включают контроллеры зарядки разрядки аккумуляторной батареи.

4. Регуляторы зарядки-разрядки.
Стоимость регулятора заряда составляет не более 5% от стоимости всей системы, но от качества зарядных регуляторов зависит работа всей системы.
Чтобы защитить батарею от избыточной разрядки, нагрузка должна быть отключена, когда напряжение батареи падает ниже определенного порога (напряжение отключения). Нагрузка не должна подключаться до момента, когда напряжение не поднимется до определенного порога (напряжения подключения). Существуют довольно противоречивые стандарты таких порогов. Это неудивительно, так как это зависит от конструкции определенных батарей, производственного процесса и от срока службы батарей.
В некоторых моделях регуляторов используется звуковой сигнал, который сообщает пользователю о скором отключении нагрузки. Может предусматриваться ручное отключение контроля нагрузки.
Чтобы защитить батарею от перезарядки необходимо ограничить зарядный ток по достижении напряжения окончания зарядки. Напряжение начнет снижаться, пока не достигнет другого порога, называемого напряжение возобновления заряда.
На практике выбор напряжения окончания и возобновления заряда включает компромисс между обеспечением полного заряда и усиленного испарения электролита (высокие напряжения) и недозаряда, предотвращением коррозии электродов и потребления воды (низкие напряжения). Система небольших размеров имеет тенденцию к перепотреблению энергии, нежели к перезарядке, поэтому допускается перезарядка (высокое потребление воды) и, следовательно, следует использовать более высокое напряжение окончания заряда.
Некоторые производители включают в набор функций регулятора управляемую перезарядку для выравнивания напряжения на аккумуляторах в батарее. Перезарядку следует проводить при постоянном напряжении 2.5V/элемент после каждой глубокой разрядки и/или каждые 14 дней длительностью 1-5 часа. Не следует проводить управляемую перезарядку в малообслуживаемых и необслуживаемых аккумуляторных батареях.
Все вышеуказанные значения напряжения должны измеряться непосредственно на клеммах батареи, поэтому падение напряжения на соединительных проводах аккумуляторной батареи и регулятора должны быть не более 4% от номинального напряжения в самых неблагоприятных рабочих условиях, т.е. когда подключена максимальная нагрузка, а из солнечного генератора не поступает ток. Если это сделать невозможно или дорого, то проводят отдельную сигнальную линию на регулятор.
Электрические нагрузки, требующие высокого значения начального тока (например, электродвигатели) могут привести к кратковременному падению напряжения на батарее ниже напряжения отключения нагрузки, даже если батарея имеет достаточный заряд. Чтобы предотвратить данную ситуацию, необходимо отключать нагрузку на 3-30 секунд после достижения порога напряжения отключения нагрузки.
Также в регуляторах может предусматриваться защита от короткого замыкания в нагрузке, защита от подключения аккумуляторной батареи обратной полярностью, температурная компенсация значений пороговых напряжений. Последнее бывает необходимо, если предусматривается эксплуатация батарей при температурах ниже минус 10оС.
Регуляторы имеют светодиодную или жидкокристаллическую индикацию режимов работы.
Регуляторы изготавливаются, как правило, в отдельном пылевлагозащищенном корпусе. Класс защиты от IP32 (защита от песка и дождевых брызг) до IP65 (пылевлагонепроницаемый).
Все сказанное относится к регуляторам, используемым в автономных солнечных системах небольшой мощности (до 1кВт). В более мощных системах функции контроля зарядки и разрядки берет на себя системный контроллер, осуществляющий также контроль над всей системой в целом. В большинстве случаев это устройство сопряжено с компьютером, осуществляющим еще и непрерывный мониторинг за работой компонентов с записью значений освещенности, температуры, тока, напряжения для последующего анализа.

5. Инверторы.
Солнечный генератор, каким бы сложным и большим мы его не делали, может производить ток только постоянного напряжения. К счастью, существует много потребителей, работающих на постоянном токе (зарядка аккумуляторов, освещение, радиоаппаратура). Для преобразования постоянного тока аккумуляторной батареи в переменный синусоидальной формы необходим инвертор.
Инверторы – полупроводниковые приборы. Они могут быть разделены на два типа в соответствии с типом фотоэлектрических систем:
·        инверторы для автономных систем;
·        инверторы для сетевого применения.
Выходной каскад у обоих типов во многом похож, а основное отличие в схеме управления. Первый тип имеет генератор частоты, второй должен работать синхронно с промышленной сетью и в качестве генератора частоты использует саму сеть.
Для всех типов основным параметром является КПД, который должен быть более 90%.
Для автономных инверторов выходное напряжение в большинстве случаев составляет 220В 50/60Гц, в инверторах мощностью 10…100 кВт возможно реализовывать трехфазное напряжение 380В. Все автономные инверторы преобразуют постоянный ток аккумуляторных батарей, поэтому входное напряжение выбирается из ряда 12, 24, 48, 120 В. Чем больше входное напряжение, тем проще реализуется инвертор и тем больше получается КПД. При больших напряжениях значительно меньше потери на передачу энергии от солнечного генератора к аккумуляторной батарее, регулятору зарядки и инвертору, но при этом усложняется солнечный генератор с точки зрения конструкции и эксплуатации при опасных напряжениях (свыше 40В). К форме выходного сигнала автономных инверторов предъявляются менее жесткие требования. В ряде случаев, если позволяет нагрузка, возможно применение инверторов с трапециевидным выходным сигналом. Такие инверторы стоят в 2-3 раза дешевле инверторов с синусоидальным выходным сигналом. Для автономных инверторов важным параметром является зависимость КПД от мощности подключенной нагрузки. КПД не должен заметно снижаться при подключении нагрузки в 10 раз меньшей по мощности, чем номинальная мощность инвертора. В то же время инвертор должен выдерживать перегрузки в выходных цепях при подключении электродвигателей или других динамичных нагрузок. В идеале, к автономному инвертору предъявляются следующие требования:
·        способность выдерживать перегрузки (как кратковременные, так и длительные);
·        низкие потери при малых нагрузках и на холостом ходу;
·        стабилизация выходного напряжения;
·        низкий коэффициент гармоник;
·        высокий КПД;
·        отсутствие помех на радиочастотах.
Зарубежные фирмы в широком ассортименте предлагают инверторы, специально разработанные для работы в составе фотоэлектрических систем. Инвертор включает блок регулятора отбора максимальной мощности, блок регулятора заряда, а также дополнительный вход подключения дизель-генератора для экстренной подзарядки батареи. Стоимость таких устройств порядка 0,5…1 $/Вт выходной мощности.
Для сетевых инверторов требования к выходному сигналу предъявляются самые жесткие. Для уменьшения потерь на преобразование такие инверторы работают при высоких входных напряжениях (до 1000В). Так как входные цепи этих инверторов питаются непосредственно от солнечного генератора, то инверторы имеют регулятор отбора максимальной мощности, встроенный в инвертор. Сетевые инверторы имеют также блок контроля за мощностью солнечного генератора и включаются автоматически, как только мощность генератора становится достаточной для формирования переменного сигнала.

Расчет системы.

Под расчетом системы понимается определение номинальной мощности солнечных модулей, схема их соединения, выбор типа, условий работы и емкости аккумуляторной батареи, выбор типа и мощности инвертора, определение параметров соединительных кабелей и т.д.
Учитывая, что в настоящее время основной задачей фотоэлектрической энергетики является автономное электроснабжение объектов, здесь мы ограничимся рассмотрением расчета автономной фотоэлектрической станции мощностью до 5кВт. Схема станции приведена на Рисунок 1. Предположим, что система предназначается для питания потребителей как переменного, так и постоянного тока.

Порядок расчета:
1.      Прежде всего, необходимо определить суммарную электрическую мощность всех потребителей, подключаемых одновременно. Эта мощность измеряется в Ваттах и обозначена в паспорте изделия. На этом этапе уже можно выбирать мощность инвертора, которая должна быть не менее, чем в 1,25 раз больше расчетной. Номинальный ряд мощностей инверторов 500, 1000, 2500, 5000 Вт. Здесь же выбирается номинальное напряжение станции на постоянном токе (12,24,48,120В - определяется типом инвертора).
2.      Для определения номинальной емкости аккумуляторной батареи необходимо знать потребляемую электрическую энергию в ампер часах Ec, определяемую делением суммарной потребляемой электроэнергии En в Втч за сутки на номинальное напряжение станции. Емкость аккумуляторной батареи при этом рассчитывается по формуле:

где         DODвыбранная глубина разряда аккумулятора;
               n – количество дней без Солнца.
Количество дней без Солнца характеризует надежность электроснабжения в пасмурную погоду и выбирается потребителем из таблицы:

Широта местности
Летние месяцы
Осенние и весенние месяцы
Зимние месяцы
30
2-4
3-4
4-6
40
2-4
4-6
6-10
50
2-4
6-8
10-15
60
3-5
8-12
15-25
70
3-5
12-14
20-35
Емкость аккумулятора выбирается из стандартного ряда емкостей аккумуляторов с округлением в большую сторону от расчетной. Количество аккумуляторов, соединяемых последовательно, определяется делением номинального напряжения системы (12,24,48,120В) на номинальное напряжение одного аккумулятора.
Для сокращения потребляемой энергии следует выбирать экономичные нагрузки, например, для освещения вместо ламп накаливания современный люминесцентные лампы.
3.      Суммарная мощность (кВт) солнечных модулей Р рассчитывается по формуле:

где         hинв– КПД инвертора (0,8…0,93);
                           hак– КПД заряд-разрядного цикла аккумулятора (0,5…0,7);
                           h - коэффициент учитывающий потери на несоответствие, потери в проводах и на отражение стекла -0,8;
                           T – среднемесячная температура в градусах Цельсия (берется со знаком);
                           E – дневная солнечная радиация, усредненная за месяц, Втч/м2сутки.

Значение радиации берется в наихудший месяц за период работы станции, например, при круглогодичной работе это декабрь. Если потребляемая энергия En не постоянна от месяца к месяцу, то значение мощности рассчитывается за каждый месяц и выбирается наибольшее. Значение солнечной радиации можно узнать в местной метеорологической станции.
Модули ориентируют на юг и устанавливают под углом к горизонту, равным среднему солнечному склонению за период работы станции (например, для круглогодичной работы этот угол равен широте местности).
Для более точных расчетов применяются специально разработанные компьютерные программы.

Источник: http://www.akatel.ru

Похожие посты:

- Как работает солнечные коллектор
- Солнечная энергетика

Комментариев нет:

Отправить комментарий