1 ОБЗОРНО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
1.1 История развития солнечной энергетики
Энергетические запасы планеты с каждым годом уменьшаются. За один год человечество использует объем нефти, который образовывался в течение двух миллионов лет. От их использования неизменно загрязняется окружающая среда. Эти глобальные проблемы поставили перед человечеством вопрос поиска альтернативных, желательно возобновляемых источников энергии. Ведь потребность людей в энергии растёт. Сегодня уже мало кто сомневается в необходимости альтернативных источников энергии. Они бывают разные: Солнце, ветер, гидроресуры, биомасса (энергия биомассы). Здесь подробнее о солнечной энергии вообще и о новых уже продающихся в России «солнечных» сплит-системах MDV Sоlаrроwеr DС-Invеrtеr в частности.[2]
Солнечная энергия уже около 50 лет используется людьми в космосе — для работы техники на орбите. Да и на земле уровень «привлечения» Солнца к выработке электричества увеличивается. Однако сегодня человечество использует в своих «энергетических» целях не более одной десятитысячной части той энергии, которую Солнце «поставляет» на Землю. Достаточно сказать, что если бы этот показатель равнялся хотя бы 1% — об энергетической проблеме, нехватке энергоресурсов, можно было бы забыть на долгие годы, десятилетия, а то и века.
Рисунок 1.1 - Солнечные панели
Пращурами, отцами солнечной энергетики на нашей планете следует считать французского физика Александра Эдмона Беккереля, электрика-изобретателя из Нью-Йорка Чарльза Фриттса, а также знаменитого Альберта Эйнштейна, обладателя Нобелевской премии. Первый, ещё в 1839 году заметил фотоэффект, представляющий собой излучение электронов под воздействием солнечного света. Второй, 44 года спустя, создал первый солнечный модуль — покрытый тонким слоем золота селен. КПД этой первой солнечной батареи был весьма низок — около 1% (из всего «улавливаемого» модулем солнечного света в энергию превращался лишь 1%). Но это бы первый шаг. В 1905 году Эйнштейн получает Нобелевскую премию как раз за доработку идей Беккереля. В 30-х годах прошлого века отечественные учёные под руководством академика А.Ф. Иоффе создали первые солнечные сернисто-таллиевые элементы. КПД их тоже был низок. Однако работы над солнечными батареями продолжились. В начале 50-х годов ХХ века, в США, в лаборатории компании BеllTеlерhоnе, Джеральд Пирсон со товарищи установил, что кремний с о пределённым покрытием заметно более чувствителен к солнечному свету, чем селен. В итоге была создана солнечная ячейка-батарея с КПД около 6% — началась эра развития солнечных батарей.[3]
В 1957 году в СССР был запущен первый искусственный спутник с применением фотогальванических элементов, а в 1958 г. США произвели запуск искусственного спутника Ехрlоrеr 1 с солнечными панелями. С 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основным источником энергии для космических кораблей и орбитальных станций. И по сей день космос — одна из главных сфер, где применяются солнечные батареи (ныне, конечно, более совершенных конструкций, чем в прошлом веке). Во время нефтяного кризиса 1973-74 гг. сразу несколько стран запустили программы по использованию фотоэлементов, что привело к установке и опробованию свыше 3100 фотоэлектрических систем только в Соединенных Штатах. Многие из них до сих пор находятся в эксплуатации.
Рисунок 1.2 - Спутник проекта Ехрlоrеr
Первый американский спутник проекта Ехрlоrеr. Выведен на орбиту в 1958 году. Конструкция космического аппарата предусматривала солнечные панели (батареи). Серьезным позитивным сдвигом в развитии солнечной энергетики послужило создание американцами в 90-х годах прошлого столетия особых типов солнечных батарей, более эффективных, чем применяемые ранее. Этотновый тип батарей более экономически выгоден, да и производить их проще. На сегодняшний день основная масса выпускаемых солнечных батарей имеет КПД чуть более 20 процентов. В 1989 году было создано опытное устройство, работающее с КПД более 30 %. А в 2010 году компания Bоеing объявила о достижении принадлежащей ей лаборатории Sресtrоlаb – создании серийных солнечных панелей марки С3MJ+, обладающих эффективностью 39,2%. К первым покупателям эти батареи поступили в январе 2011 года.[4]
1.2 Потенциал солнечной энергетики Самарского края
В Самарском крае вблизи Новокуйбышевска расположилось миллионы квадратных метров солнечных батарей. На данный момент, Самарская электростанция занимает лидирующую позицию в Российской Федерации. Рассмотрим подробнее данную электростанцию.
Строительство солнечной электростанции в Самарской области началось в 2018 году. Осенью сдали первую очередь, в декабре – вторую, а в мае 2019 года – уже третью. Сейчас вся электростанция работает на полную мощность.
Рисунок 1.3 - Отечественные солнечные батареи г.Новокуйбышевск
Большинство оборудования на электростанции в Новокуйбышевском районе отечественного производства (рис.1.3). Это было одно из условий местных властей. Объект возведен после проведения конкурентного отбора мощности для строительства возобновляемых источников энергии. Общие затраты на возведения электростанции составили порядка 9 миллиардов рублей. Инвестиции от предприятия вернутся за счет установленных государством тарифов на оптовом рынке электроэнергии и мощности. Станция активирована в одну сеть, поэтому тариф для конечного пользователя не изменяется.
“Затраты должны окупиться за 10 лет. Но несмотря на недешевое строительство, солнечная электростанция почти не требует трат на обслуживание, так как потребляет только солнечный свет. А еще она не несет вреда для экологии. Ничего привозить и увозить не нужно, на нашем «заводе» нет никаких вредных выбросов. И я думаю, что будущее именно за солнечными электростанциями. Всё-таки углеводородное сырье исчерпаемое, а солнечная энергия — нет”, — считает главный инженер электростанции Олег Полотцев.
Солнечные батареи установлены точными рядами по площади достигаемой в 216 га, а это 2.160.000 кв.м. На станции 260 тысяч фотоэлектрических модулей. Они выдают 75 Вт электрической мощности в солнечный день и способны снабжать энергией целый район с Новокуйбышевск. Вся полученная электрическая энергия от солнечных батарей передается в 30 блочно-модульных зданий с установленными инверторными установками. Там постоянный ток от фотоэлементов преобразуется в переменный ток, повышается до напряжения 10 кВ и поступает на повышающую подстанцию 110 кВ, а оттуда – в единую энергетическую систему.
Одной ячейки будет достаточно, чтобы зарядить телефон или планшет, семи хватит, чтобы нагреть электрический чайник.
На сегодняшний день подобные электростанции приносят стране порядка 2% от всего электричества.
В Самарской области считает данную электростанцию эффективной, так как в данном регионе в среднем бывает порядка двухсот солнечных дней в году.[5]
Рисунок 1.4 – Отечественные солнечные батареи
1.3 Физико-технические основы солнечной энергетики
Установка представляет собой гибридную систему, которая преобразует солнечную энергию в электрическую и тепловую (рис.1.5). Солнечный свет, падающий на фотоэлектрический модуль, преобразуется в электрическую энергию. Производство тепла происходит за счет охлаждения фотоэлектрических модулей.[6,7]
Рисунок 1.5 – Модель теплосолнечной системы: 1 – концентратор, 2 – 2 ФМ, 3 – помпа, 4 – бак, 5 – тепловой выход, 6 – тепловой вход, 7 – дополнительный подогрев (при необходимости), 8 – контролирующая система, 9 – аккумуляторная батарея
Чтобы увеличить производство энергии, в систему добавлен низко концентрирующий концентратор. Концентратор представляет собой отражающую поверхность, состоящую из нескольких сегментов. Обеспечивается концентрация солнечного излучения в 2–3 раза. Приходящий поток излучения падает на концентратор и отражается на ФМ. Плоскость солнечного модуля, расположена перпендикулярно потоку отраженного излучения.
Для работы в холодное время года можно использовать дополнительную крышку (прозрачную для прямых солнечных лучей и непроницаемую для отраженного излучения), которая также будет защищать концентратор и фотоэлектрические модули от атмосферных осадков и уменьшит отток тепла в окружающую среду.
Для увеличения мощности может быть использована система слежения за солнцем. Приходящий поток излучения падает на концентратор и отражается на фотоэлектрический модуль. Плоскость фотоэлектрического модуля расположена перпендикулярно к потоку отраженного излучения. Прямой свет не падает на фотоэлектрический модуль.
Повышение эффективности преобразователей солнечной энергии может быть достигнуто за счет рециркуляции неабсорбированных фотопреобразователем фотонов. Излучатель для этого должен находиться в непосредственной близости от фотодиодов. На рис. 1.6 изображена схема фтоэлектрического преобразователя, в которой излучатель (нагреваемый концентрированным солнечным излучением или пламенем) освещает фотодиод с шириной запрещенной зоны W_g.
Фотоны с энергией, превышающей W_g, преобразуются полупроводником (сплошные линии) с генерацией электрического тока. Фотоны с энергией меньше W_g проходят через полупроводник, не поглощаясь и, отразившись от зеркала, возвращаются обратно к излучателю
(штриховые линии).
Роль данного зеркала может играть тыльный электрод фотодиода, выполненный, например, в виде слоя серебра, отделенного от диода тонким слоем оксида. Электрическое соединение зеркала с диодом осуществляется посредством точечных конта ктов, которые занимают только 1% всей поверхности зеркала. Тепловой излучатель может быть графитовым, что обеспечивает возможность его работы в температурном диапазоне 2200-2300К. Полупроводниковым материалом является кремний. [4]
Другое техническое решение предполагает размещение селективного зеркала между излучателем и полупроводником. Зеркало отражает фотоны с энергией ниже W_g и пропускает фотоны с большей энергией. Недостатком данного решения является сложность создания такого зеркала.
Для повышения эффективности преобразования энергии необходимо снижать тепловые потери излучателя. Так как большой вклад в тепловые потери вносит конвекция, то с целью их снижения пространство между излучателем и диодом может быть вакуумировано. Однако такое решение приведет к тому, что материал излучателя будет медленно разрушаться и осаждаться на поверхности диода, что вызовет снижение эффективности устройства. Поэтому важно выбирать такие материалы для нагревателя, которые имеют низкую летучесть при расчетных температурах. Иногда практичнее допустить некоторые конвекционные потери, чтобы уменьшить сублимацию излучателя посредством его работы в атмосфере инертного газа, например аргона.
Рисунок 1.6 – Две конфигурации термофотоэлектрических преобразователей
В термофотоэлектрических преобразователях тип полупроводника и ширина его запрещенной зоны выбираются исходя из температуры излучателя [8].
Термофотоэлектрические преобразователи были предложены как простейший вариант теплового двигателя, обеспечивающего прямое преобразование энергии излучения пламени в электрическую.
До сих пор мы обсуждали идеальные фотоэлектрические преобразователи безотносительно к их возможному практическому использованию и технологии изготовления. Простейший идеальный ( тот, в котором отсутствует механизм увеличения числа зарядов) прозрачен для одной части спектра и полностью непрозрачен для остального излучения. Каждый абсорбированный фотон вызывает появление одной электронно-дырочной пары, и каждая электронно-дырочная пара дрейфует к встроенному р,п-переходу, который разделяет эту пару на электрон и дырку. Образованные таким образом носители заряда быстро термолизуются и оказываются способными отдать нам электрическую энергию, в точности равную ~ в расчете на каждый абсорбированный фотон.
Эффективность простейших идеальных преобразователей, облучаемых монохроматическим излучением, фотоны которого имеют энергию, чуть большую ~ (Дж), близка к 100 %. В случае облучения преобразователей широкополосным излучением их эффективность зависит только от характеристик падающего излучения и ширины запрещенной зоны. Эта эффективность соответствует простой идеальной эффективности. Как уже бьшо сказано выше, идеальную эффективность можно увеличить следующими способами [9]:
1) полезной утилизацией фотонов, которые обладают энергией, недостаточной для того, чтобы быть абсорбированными полупроводником. Примеры таких решений бьmи приведены при описании систем спектрального разделения светового потока и термофотоэлектрического преобразования энергии;
2) утилизацией избыточной энергии, которую получают носители заряда при образовании электронно-дырочной пары. Этот случай бьш рассмотрен в подразделе, касающемся анализу возможностей увеличения числа зарядов. Реальные фотоэлектрические преобразователи не могут достичь уровня идеальных преобразователей, что обусловлено следующими механизмами потерь:
1. Часть фотонов отражается от преобразователя вместо того, чтобы быть абсорбированными им, или абсорбируются промежуточными элементами, такими как токопроводящие электроды.
2. Если толщина материала фотоэлектрического преобразователя мала, то им абсорбируются не все фотоны с энергией выше ~- Материал оказывается частично прозрачным для этих фотонов.
3. Не все созданные электронно-дырочные пары имеют достаточное время жизни, чтобы преодолеть р,п-переход. Если время их жизни слишком мало или они созданы слишком далеко от р,п-перехода, то эти пары будут рекомбинировать и их энергия будет потеряна. Часть электронно-дырочных пар может двигаться в направлении поверхности устройства, где скорость рекомбинации достаточно высока, и за время жизни не достигнут р,п-перехода.
4. Носители заряда, разделенные р,п-переходом, теряют часть своей энергии из-за электрического сопротивления и на контакте с электродом.
5. Плохое сочетание мощности фотоэлектрического преобразователя и нагрузки также приводит к потерям генерируемой энергии.
1.4 Классификация преобразователей солнечной энергии
Традиционно устройства для использования солнечной энергии разделяются на два больших принципиально различных по физике преобразования солнечной энергии класса: тепловые коллекторы и фотоэлектрические модули. Однако в настоящее время можно говорить о появлении нового направления – фототермопреобразования (ФЭ/Т) или РVT панели. При этом солнечный элемент работает и, как генератор электрической энергии, и, как тепловой абсорбер, что позволяет получать одновременно и электричество, и тепло. [4]
Рисунок 1.7 – Устройство гибридного коллектора
Обозначения на рисунке 1.7:
1 – верхнее стекло; 2 – боковые алюминиевые профили; 3 – солнечный элемент; 4 – ламинирующие пленки; 5 – верхний воздушный канал; 6 – нижний воздушный канал; 7 – нижнее стекло; 8 – теплоизоляция; L – длина; W – ширина коллектора
Экспериментальная установка включает ФЭ/Т-коллектор, нагнетающий вентилятор, источник света и систему измерительных приборов. На рис. 1.6 показано устройство опытного ФЭ/Т-коллектора. Фотоэлектрический модуль состоит из восьми солнечных элементов 3, установленных между слоями ламинирующей пленки 4. Фотоэлектрический КПД солнечных элементов равен 11%. Модуль помещается между двумя алюминиевыми профилями 2, сверху и снизу устанавливаются съемные стекла 1 и 7 толщиной 4 мм. Пространства между верхним стеклом 1 и модулем, модулем и нижним стеклом 7 образуют соответственно верхний 5 и нижний 6 равновеликие воздушные каналы. Гибридный ФЭ/Т-коллектор размещается тыльной стороной на толстом слое теплоизоляции 8. С помощью распределительной колодки, установленной вне корпуса ФЭ/Т-коллектора, допускается отбор электрической энергии от любого солнечного элемента и их произвольного включения. [6]
Рис унок 1.8 - Принцип работы гибридного воздушного коллектора.
Принцип действия солнечного гибридного воздушного ФЭ/Т-коллектора (рис.1.8) основан на лучистом нагреве солнечным излучением приемного элемента – фотоэлектрического модуля, при этом теплота от приемника передается воздуху, обтекающему его с двух сторон для интенсификации теплоотдачи. Для снижения потерь теплоты в окружающую среду приемная сторона коллектора имеет защитное остекление, а боковые и задние стенки имеют тепловую изоляцию.
Для исследования ФЭ/Т-коллектора в лабораторных условиях были смоделированы условия работы максимально приближенные к естественным: температура воздуха в помещении T_a=25°C; энергетическая плотность падающего на поверхность ФЭ/Т-коллектора излучения Is =850 Вт/м . При равномерном освещении модуля без охлаждения средняя температура элементов составила 54°С. При организации воздушного охлаждения температура солнечных элементов ФЭ/Т-коллектора длиной 1 м при скорости воздуха в каналах и=6 м/с составляет 39°С для 1- го элемента и 46°С для 8- го элемента. Таким образом, среднее снижение рабочей температуры СЭ составляет около 13°С, фотоэлектрический КПД СЭ при этом отличается от номинального всего на 1%. Разница температур потока воздуха на входе и выходе из коллектора при этом составляет 2,5°С, что соответствует 58,2% теплового КПД. С целью повышения поглощающей способности поверхности гибридного коллектора использовалась также черная основа фотоэлектрического модуля. Результаты экспериментов показали, что в данном случае температура 1- го элемента в коллекторе составляет 49°С, а 8-го уже 54°С, что свидетельствует о снижении фотоэлектрического КПД на 1,5%. Разница температур воздушного потока на входе и выходе из коллектора составила 3,5°С, при этом тепловой КПД – 67,8%. По результатам проведенных испытаний составлена сводная таблица 1.
Таблица 1.1 – Эффективность работы гибридного ФЭ/Т-коллектора при различных тепловых режимах работы [23]
Характеристика основы Метод охлаждения Электрический КПД, ?_el Тепловой КПД, ?_t
Верхний канал Нижний канал
белая открыт открыт 9 58,2
белая открыт закрыт 8,6 51,7
белая закрыт открыт 8,1 53,5
черная открыт открыт 8,5 67,8
черная открыт закрыт 7,9 61,6
черная закрыт открыт 7,4 63,4
Приведенные невысокие значения энергетических показателей в таблице 1 связаны с низкой теплопроводностью материалов, используемых при изготовлении фотоэлектрического модуля, а также невысокими теплофизическими свойствами охлаждающего вещества – воздуха.
Поведение электрической и тепловой эффективности работы ФЭ/Т-коллектора как функции массового расхода воздуха показано на графике ( рис. 1.8). Из графика видно, что электрический и тепловой КПД возрастают с увеличением расхода воздуха и имеют тенденцию стремиться к постоянному значению. [24]
Рис унок 1.9 - Влияние массового расхода воздуха на фотоэлектрический и тепловой КПД ФЭ/Т-коллектора
Обозначения на рисунке 1.9:
1- коллектор с белой основой nеl; 2 – коллектор с черной основой nеl; 3 – коллектор с белой основой nt; 4 – коллектор с черной основой nt.
Разработанная модель гибридного ФЭ/Т-коллектора имеет важную конструктивную особенность – двухстороннее воздушное охлаждение фотоэлектрического модуля. Поэтому данный коллектор имеет улучшенную теплоотдачу от нагретых поверхностей и, как следствие, улучшенный тепловой и электрический КПД, что подтверждается экспериментальными данными.
Таким образом, проведенные исследования показали, что воздушное охлаждение фотоэлектрического модуля дает заметное улучшение выходных электрических характеристик. Использование нагретого воздуха существенно увеличивает общий КПД ФЭ/Т -коллектора.
Установки преобразующие солнечную энергию в тепловую и электрическую одновременно получили название рhоtоvоltаiсthеrmаlsуstеm ( РV/T или РVT). Такие установки можно назвать гибридными, так как на выходе получается несколько видов энергии. В условиях Ближнего Востока, штата Калифорнии хорошо себя показывают такие установки с концентраторами. Выделяют три основных типа концентраторных установок: с малой (lоw), средней (middlе) и высокой ( hight) концентрацией [10-12]. Малая концентрация составляет 1–5 солнц, средняя – 5..100 солнц и свыше 100 солнц высокая [8,9].
Наибольшее распространение в качестве концентратора получили линзы Френеля, плоские и параболические отражатели) (рис. 1.10).
Рис унок 1.10 - Примеры концентраторных установок
Большое распространение в мировой практике получили плоские коллекторы (flаtрlаtеsоlаrсоllесtоr) из-за простоты конструкции и дешевизны. К числу принципиальных преимуществ таких СЭС по сравнению с коллекторами других типов относится их способность улавливать как прямую (лучистую), так и рассеянную солнечную энергию и, как следствие этого, возможность стационарной установки СЭС без необходимости в сложных системах слежения за солнцем [12]. КПД разработанных в США солнечных элементов на основе монокристаллического кремния достигает 20–25% при концентрации в 10-100 солнц и рабочей температуре 25?С. При большей концентрации эти СЭ требуют принудительного охлаждения, так как их КПД существенно снижается с ростом температуры (на 1/3 при повышении температуры на 100?С). Для работы при концентрации в 300–1000 солнц более перспективны СЭ на основе арсенида галлия – арсенида алюминия. Значение КПД каскадных СЭ на основе GаАs составл яют 30% при концентрации в 500- 1000 солнц и при реальных рабочих температурах 60–80?С. Поэтому, несмотря на более высокую стоимость арсенида галлия, цены на энергоустановки с концентрацией окажутся приблизительно в 2 раза ниже плоских кремниевых.
Рассмотрим более подробно гибридные РVT-установки.
Такие установки можно классифицировать по типу охлаждения на активные и пассивные. Активные охлаждаются принудительно, пассивные за счет естественных процессов. Чаще всего в активных используют жидкостное охлаждение или воздушное, то есть обеспечивают постоянное движение теплоносителя для отвода тепла. Пассивные системы чаще всего представляются металлическими радиаторами или воздушными зазорами.
Huаng B. J., еtаl [13] в 2001- ом году разработали типичную структуру гибридной батареи. Как показано на рисунке 1.11.
Рис унок 1.11 - Структура гибридной солнечной СЭС
В данной конфигурации, тепловой коллектор представляет собой абсорбер – металлическую пластину, и круглые медные трубы с теплоносителем. Теоретические и экспериментальные исследования этой конфигурации солнечного коллектора продолжаются.
Данная конфигурация дает возможность проектировать тепловую трубу для поглощения тепла. Тепловой коллектор и солнечный модуль скомпонованы через специально изготовленный каркас, тепловой коллектор представляет собой систему каналов или труб, вход и выход для циркуляции т еплоносителя ( чаще всего воды). Для улучшения теплопроводности используют абсорберы (медные или алю миниевые пластины) и термопасты.
Huаng, B. J. [13] в 1999- ом году разработал гибридную установку с тепловым коллектором прямоугольного сечения. Как показано на рисунке 1.12.
Рисунок 1.12 - Гибридная установка с тепловым коллектором прямоугольного сечения
Данный коллектор может иметь разные геометрические параметры, на рисунке 1.13 показано поперечное сечение канала прямоугольной формы. [15]
Рис унок 1.13 - Поперечное сечение канала коллектора : а) W>D, b) W=D
Ширина и высота канала небольшие - неско лько миллиметров. B. J. Huаng, доказали что, при W=D передача тепла значительно усиливается. Для этой конфигурации солнечного коллектора, оптимизация геометрического параметра и расхода теплоносителя была сделана в целях получения максимальной энергии. Кроме вышеуказанных коллекторов с каналом круглого и прямоугольного сечения, существует и другие виды коллекторов. Bоddаеrt, Simоn и DоminiquеСассаvеlli [14] в 2006- ом году анализировали гибридную батарею со следующим коллектором:
Рис унок 1.14 - Поперечное сечение гибридной батареи
В существующих исследованиях доказали что, вышеуказанные коллекторы довольно эффективно поглощают тепло, и получили широкое применение в последующих исследованиях в отрасли комбинированной тепло-солнечной энергоустановки.
Для гибридных батарей работающих, комбинированных с жидкостнымколлетором, коллектор имеет и другие конфигурации. В2009- ом году теоретически рассмотрели 7 разных трубчатых конфигураций типа змеевика. Эти коллекторы состоят из трубы прямоугольного сечения или круглого сечения, и склеивается с солнечным модулем для обеспечения теплового контакта. На рисунке 1.15 показаны две типичной из этих конфигураций [12].
Рис унок 1.15 - Трубчатый тепловой коллектор типа змеевика
Кроме вышеуказанных, Krоi? и Аlехаndеr разработали тепловой коллектор сотовой конструкции из полипропилена [15].
Гибридные солнечные батареи, комбинированные с воздушным солнечным коллектором функционируют при использовании воздушной помпы. При омывании воздуха, температура солнечного элемента значительно уменьшается, оптимальный расход воздуха можно найти при проектировании. Плотность воздуха намного меньше чем плотность воды, и требование к защите от влажности ниже, поэтому существует довольно разная конструкция гибридной батареи, ра ботающей на воздухе. А в 2000-ом году рассмотрели четыре популярных конструкции гибридных солнечных батарей, работающих на возд ухе, как показаны на рисунке
