АВТОРЕФЕРАТ
"Удосконалення існуючих методів відбору потужності
від батареї фотоелектричних перетворювачів"
Керівник к.т.н., доц. Левшов О. В.
В наш час активно впроваджуються нові екологічно чисті джерела енергії. Перехід на альтернативні джерела енергії почався ще в 1990 році і за прогнозами вчених протривається до 2010 року. Особливість цього етапу полягає в його екологічній спрямованості - зменшення забруднення навколишнього середовища, істотне скорочення викиду в атмосферу вуглекислого і сірнистих газів. Як відомо, екологічна ситуація на планеті стоїть під погрозою, тому протягом деякого часу людство повинне впровадити в повсякденне життя поновлювані екологічно чисті джерела енергії, насамперед , такі як вітроенергетика і геліоенергетика, тим самим, запобігти збільшення ризику загибелі біосфери планети. В іншому випадку майбутні екологічні катастрофи поставлять під загрозу можливість подальшого існування життя на нашій планеті [1].
Вже сьогодні можна сказати, що сонячна енергія є серйозною альтернативою традиційній енергетиці. Обґрунтувати актуальність застосування сонячної енергетики можна, наприклад, за допомогою аналізу економічних показників. У першу чергу потрібно відзначити, що діючі в Україні ціни на паливо й енергію за останні 50 років не відбивали реальні витрати на їхнє виробництво, а дотепер у жодній країні світу істотна частина вартості виробництва енергії не відбивається в тарифах на енергію, а розподіляється на витрати всього суспільства. Інша складова вартості енергії, що розподіляється на усе суспільство і не включається в тарифи за енергію, зв'язана з забрудненням навколишнього середовища енергетичними установками [1,2].Також на сьогоднішній день існує велика невизначеність в оцінці реальної вартості електроенергії, одержуваної від атомних електростанцій. Можна стверджувати, що реальні ціни в атомній енергетиці будуть визначені тільки після того, як будуть вирішені питання безпеки АЕС, ядерних технологій по одержанню палива, поховання відходів і коли будуть розроблені принципи звертання з устаткуванням, будинками і спорудженнями АЕС, виведеними з експлуатації через тридцять років роботи. По оцінках експертів ці ціни будуть набагато вище існуючих. Оцінки прямих соціальних витрат, зв'язаних зі шкідливим впливом електростанцій, включаючи хвороби і зниження тривалості життя людей, оплату медичного обслуговування, утрати на виробництві, зниження врожаю, відновлення лісів і ремонт будинків у результаті забруднення повітря, води і ґрунту дають величину, що додає близько 75% світових цін на паливо й енергію [3]. Власне кажучи, це витрати всього суспільства - екологічний податок, що платять громадяни за недосконалість енергетичних установок, і цей податок повинен входити у вартість енергії для формування державного фонду енергозбереження і створення нових екологічно чистих технологій в енергетику.
Тому, якщо врахувати ці сховані зараз витрати в тарифах на енергію, то більшість нових технологій у сфері сонячної енергетики стає цілком конкурентноспроможними з існуючими технологіями. Одночасно з'явиться джерело фінансування нових проектів у екологічно чистій енергетиці. Саме такий "екологічний" податок у розмірі від 10 до 30% від вартості нафти введений у Швеції, Фінляндії, Нідерландах і, можливо незабаром буде введений у країнах ЄЕС [1]. Було б правильним рішенням уряду України вивчити і використовувати цей досвід при підготовці закону про енергозбереження.
У силу розглянутої актуальності використання сонячної енергії, метою роботи є удосконалення методів добору потужності від фотоелектричних перетворювачів (ФЕП), а також розробка способу добору потужності від ФЕП з урахуванням надійності роботи установки сонячних перетворювачів.
Найбільш важливими задачами даної роботи є:
- детальне вивчення фізичних процесів, що протікають у фотоперетворювачі;
- розгляд і аналіз вже існуючих методів добору потужності від батареї ФЕП;
- проведення експериментальних досліджень на діючій сонячній установці ( СЕС - СА1 - 250) з використанням цифрового многоканального реєстратора "Рекон";
- розробка способу добору потужності від батареї ФЕП;
- створення математичної моделі для дослідження розробленого методу.
Робота припускає використання знань про методи добору потужності від батареї ФЕП для створення нового методу добору з урахуванням надійності роботи батареї ФЕП.
Відомо, що для збільшення вихідної напруги і перетвореної потужності застосовують послідовне і паралельне з'єднання сонячних елементів. Але таке з'єднання не має надійного режиму роботи. При ушкодженні одного з паралельно з'єднаних ФЕП, інші виявляються у закоротці неробочим елементом. А при обриві кола, наприклад, затіненні послідовно з'єднаних елементів - вся установка стає розімкненою. Тому з'являється необхідність у пошуку безаварійного, надійного режиму роботи системи ФЕП.
У роботі було розглянуто і проаналізовано вже існуючі способи добору потужності. У результаті досліджень було запропоновано, а потім запатентовано унікальний спосіб добору, що виключає недоліки попередніх методів, і який збільшує надійність роботи установки ФЕП при доборі потужності.
Спосіб добору електричної енергії від сонячної батареї, що включає перетворення сонячної енергії в електричну, накопичення її в електричному конденсаторі і передачу споживачу порціями, відповідно корисній моделі енергію кожного елемента сонячної батареї накопичують в електричному конденсаторі кожного елемента сонячної батареї, підключають конденсатор кожного елемента сонячної батареї до індуктивності на час, поки вся енергія конденсатора кожного елемента сонячної батареї перейде в енергію магнітного кола індуктивності і напруга на цьому конденсаторі стане дорівнювати нулю. Потім індуктивність підключають до конденсатора-колектора на час, поки вся енергія магнітного кола індуктивності перейде в конденсатор-колектор і струм в індуктивності стане дорівнювати нулю. Цю операцію переміщення енергії з конденсатора в індуктивність і з індуктивності в конденсатор-колектор повторюють послідовно для кожного конденсатора кожного елемента сонячної батареї, а енергію конденсатора-колектора передають за допомогою інвертора в мережу змінного струму [20].
Зазначений спосіб реалізується пристроєм,
спрощено приведеним на рисунку 1.
Рисунок 1 - Спрощена електрична схема роботи ФЕП з урахуванням надійності добору потужності
Л І Т Е Р А Т У Р А
Пристрій містить сонячну батарею 1, що складається із сонячних елементів 2, кожної з який перетворює сонячну енергію в електричний струм, конденсатори 3, кожної з який підключений до одного сонячного елемента 2, комутатор 4, що підключає до кожного із сонячних елементів 2 індуктивність 5, ключ 6, що підключає індуктивність 5 до конденсатора-колектора 7, інвертор 8, що перетворює постійну напругу конденсатора-колектора 7 у змінну напругу мережі - споживача енергії 9.
Таким чином, надійність описаного способу добору енергії вище, ніж в існуючих способів, тому що при наявності в батареї елемента, що має несправність у виді обриву чи короткого замикання, добір енергії від батареї не порушується (за винятком неробочого елемента).
Існує поширена думка, що сонячна енергія є екзотичною і її практичне використання - справа віддаленого майбутнього. На жаль, така песимістична думка дійсно існує. Але вона помилкова.
Зміст кремнію у земній корі складає 29,5% і перевищує зміст алюмінію в 3,35 рази [12]. У Землі міститься 15,2% кремнію по масі, що відповідає фантастичній масі 9,08.10т [13]. Сонячний кремній з чистотою 99,99% коштує стільки ж, скільки уран для АЕС, хоча зміст кремнію в земній корі перевищує зміст урану в 100000 разів.
Світові достовірні запаси урану оцінюються в 2763000т [14]. Причому урановий паливний цикл, що включає виробництво гексафторида урану, значно складніший і небезпечніший хлорсиланового способу одержання сонячного кремнію. Враховуючи неконцентроване розташування і малий зміст урану в земній корі у порівнянні з кремнієм, важко зрозуміти, чому уранове паливо для ядерних реакторів і кремній для сонячних електростанцій мають однакову вартість. Існують кілька причин, що пояснюють таку ситуацію. Однією з них (найбільш вагомою) є той факт, що в розвиток технології і виробництва урану вкладені мільярдні капіталовкладення, що виділялися, в основному у військових програмах і обсяги виробництва урану в 6 разів перевищують обсяги виробництва сонячного кремнію.
Важливо звернути увагу, що хлорсиланова технологія виробництва
сонячного кремнію, розроблена ще близько 40 років тому, дотепер практично не змінилася, зберігши всі
негативні риси хімічних технологій 50-х років: висока енергоємність, низький вихід кремнію, екологічна
небезпека [15]. Основним матеріалом для виробництва кремнію є кремнезем у виді кварциту чи кварцового
піску. Він складає 12% від маси літосфери. Велика енергія зв'язку Sі-0 - 464 кДж/моль обумовлює великі витрати
енергії на реакцію відновлення кремнію і наступне його очищення хімічними методами - 250 квт.ч/кг, а вихід
кремнію складає 6-10%. На жаль, в Україні не спостерігалося розвитку технологій очищення кремнію.
Історично склалося так, що з 1970 року в СРСР, Німеччині, Норвегії і США проводилися дослідження зі
створення технологій одержання кремнію, що виключали хлорсилановий цикл [16]. І після дворічного
циклу досліджень у СРСР ці роботи були виключені з національної програми, тим самим закривши розвиток
у цьому напрямку.
Але вже в 1974 році фірма "Сіменс" (Німеччина) [17] і в 1985 році фірма "Елкем" (Норвегія), разом з компаніями США "Дау Корнінг" і "Ексон" [18] розробили технологію одержання сонячного кремнію карботермичним відновленням особливо чистих кварцитів із сонячних елементів 10,8-11,8%.
У 1990 році елементів із сонячного кремнію склав 14,2% у порівнянні з 14,7% із хлорсиланового кремнію [19]. Технологія "Сіменс" передбачала використання особливо чистих кварцитів зі змістом домішок 20.10 по масі. Дослідженнями фірмою "Симменс" було показано, що якість кварцитів одне з найвищих у світі, а наявні запаси достатні для виготовлення сонячних фотоелектричних станцій потужністю більш 1000 ГВт.
Враховуючи, що 1 кг кремнію в сонячному елементі виробляє за 30 років 300 МВт.год електроенергії, легко підрахувати нафтовий еквівалент кремнію. Пряме перерахування електроенергії 300 Мвт.год з урахуванням теплоти згоряння нафти 43,7 МДж/кг дає 25 т нафти на 1 кг кремнію. Якщо прийняти ККД ТЕС, що працює на мазуті, 33%, то 1 кг кремнію по виробленої електроенергії еквівалентний приблизно 75 тоннам нафти. У зв'язку з високою надійністю термін служби за основним компонентом - кремнієм і сонячним елементам може бути збільшений до 50-100 років. ККД 25-30% буде досягнуто у виробництві в найближчі 10 років. У випадку заміни сонячних елементів кремній може бути використаний не одноразово і кількість циклів його використання не має обмежень у часі.
Проведені дослідження з усього світу також дали свій результат.
Були створені арсенид-галієві сонячні батареї (СБ). Гетероструктурні СБ мають більш високий ККД , ніж
кремнієві і германієві, монокристаличні й особливо - аморфного кремнію. ККД гетероструктурних
( наприклад, арсенид-галієвих) сонячних батарей доходить до 35 - 40 %. Їх максимальна робоча температура
- до +150oС, у відмінності від +70oС - у кремнієвих батарей, що збільшує можливості
концентрування світла на гетерофотоперетворювачах (ГФП) GaAs. Але, як цього і слід було очікувати,
арсенид-галієві СБ значно дорожче кремнієвих. Як найбільш ймовірним матеріалами для фотоелектричних
систем перетворення сонячної енергії у даний час розглядається кремній і арсенід галію (GaAs), причому
в останньому випадку мова йде про ГФП зі структурою AlGaAs-GaAs.
Саме такий розвиток технологій одержання фотоелементів дало поштовх до створення і впровадження сонячних елементів для одержання екологічно чистої енергії.
На сьогоднішній день уже створена велика кількість фотоелектричних установок. Дослідження фотоелементів продовжуються і розширюються, адже як відомо, технології очищення кремнію й інших матеріалів вимагають достатнього фінансування, тобто дорожнеча фотоелементів є на сьогоднішній день негативним фактором, що додає інерційність розвитку сонячної енергетики.
Але, незважаючи на технологічні і фінансові труднощі, застосування фотоелектричних перетворювачів розширюється.
Однієї з найбільш перспективних технологій сонячної енергетики на сьогоднішній день є створення фотоелектричних станцій із сонячними елементами на основі кремнію, що перетворюють в електричну енергію пряму і розсіяну складові сонячної радіації з ККД 12-15%. Лабораторні зразки мають ККД 23% [9]. Світове виробництво сонячних елементів уже перевищує 50 МВт у рік і збільшується щорічно на 30%!
Сучасний рівень виробництва сонячних елементів відповідає початковій фазі їхнього використання для освітлення, підйому води , телекомунікаційних станцій, живлення побутових приладів в окремих районах і в транспортних засобах. Вартість сонячних елементів складає 2,5-3 дол/у.т. при вартості електроенергії 0,25-0,56 дол/кВт.ч. Сонячні енергосистеми заміняють керосинові лампи, свічі, сухі елементи й акумулятори, а при значному віддаленні від енергосистеми і малої потужності навантаження - дизельні електрогенератори і лінії електропередач [10,11].
У США, наприклад, вже існує кілька експериментальних фотоелектричних станцій потужністю від 0,3 МВт до 6,5 МВт, що працюють на енергосистему. Оскільки питома вартість не залежить від її розмірів і потужності, у ряді випадків доцільно модульне розміщення на даху будинку, котеджу, ферми. До того ж власник СЕС зможе продавати електроенергію енергосистемі в денний час і купувати її в енергетичної компанії по іншому лічильнику в нічні години. Перевагою такого використання, крім політики заохочення малих і незалежних виробників енергії, є економія на опорних конструкціях і площі землі, а також сполучення функції даху і джерела енергії. Підрахунки показують, що при модульному розміщенні СЕС 1 млн.кВт здатна забезпечити електроенергією 500000 будинків і котеджів.
Такі енергозберігаючі технології для будинків є найбільш прийнятними через економічну ефективність використання. Їхнє застосування дозволить знизити енергоспоживання в будинках до 60% [4]. Як приклад успішного застосування цих технологій можна відзначити проект "2000 сонячних дахів" у Німеччині [5], а також унікальний проект сонячної електростанції. Голландська промислова корпорація «Shell Solar» разом з німецькою фірмою «GEOSOL» побудувала сонячну електростанцію в околицях Лейпцигу. Проектна потужність цього енергетичного комплексу, до складу якого ввійшли тридцять три з половиною тисячі фотоелектричних модулів, дорівнює п'ятьом тисячам кіловат. Ця гігантська електростанція займає площу, рівним 20 футбольним полям (16 га) і може забезпечити електрикою 2 тис. будинків. "Чим більше буде будуватися подібних гелиоэлектростанций потужністю хоча б у трохи мегават, тим швидше буде налагоджене масове виробництво сонячних елементів, а це, у свою чергу, зробить одержувану із сонячної енергії електричну більш дешевою", - заявив на урочистій церемонії відкриття об'єкта міністр по справах охорони навколишнього середовища ФРН Юрген Трітін [24].
Найбільш практичне застосування у світі одержали гібридні
сонячно-паливні електростанції з параметрами: ККД 13,9%, температурою пари 371oС з тиском
пари 100 бар, вартістю виробленої електроенергії 0,08 - 0,12 дол/кВт.ч. У США сумарна потужність електростанції
складає 400МВТ при вартості 3 дол/у.т. СЕС працює в піковому режимі при відпускній ціні за 1 квт.ч
електроенергії в енергосистемі: з 8 до 12 години - 0,066 дол. і з 12 до 18 години - 0,353 дол.[8]. ККД СЕС
може бути збільшено до 23% - середнього ККД системних електростанцій, а вартість електроенергії знижена
за рахунок комбінованого виробу електричної енергії і тепла. Також у США сонячні водонагрівачі загальною
потужністю 1400МВТ встановлені в 1,5 млн. будинків [6].
Сонячні електростанції можуть бути використані як для рішення локальних енергетичних задач, так і для ріення глобальних проблем енергетики [7]. Як відомо, сьогодні практично відсутні маневрові (пікові) електростанції. Через це багато теплових електростанцій працюють у режимі, що не враховує експлуатаційні вимоги до устаткування, що у свою чергу, приводить до швидкого зносу устаткування і зниженню надійності його роботи. Розглядаючи таку проблему, на сьогоднішній день вже існують (див.вище) проекти, що дозволяють застосовувати фотоелектричні установки для покриття пікових навантажень на ТЕС [21,22], а також для живлення власних потреб ТЕС, в аварійних режимах. Це напрямок досліджень на сьогоднішній день є найбільш перспективним для всієї енергетики країни.
У результаті проведення роботи були вирішені задачі удосконалення методів добору потужності від фотоелектричних перетворювачів (ФЕП), а також було розроблено спосіб добору потужності від ФЕП з урахуванням надійності роботи установки сонячних перетворювачів.
На закінчення можна сказати, що Україна має потенційні можливості використання геліоенергетики. На її території енергія сонячної радіації за один середньорічний світловий день складає в середньому 4 кВт*годину на 1м2 ( у літні дні - до 6 - 6.5 кВт*годину ) тобто близько 1,5 тисячі кВт*годину за рік на кожен квадратний метр. Це приблизно стільки ж, скільки в середній Європі, де використання сонячної енергії носить самий широкий характер. Крім сприятливих кліматичних умов на Україні є високо кваліфіковані наукові кадри в області використання сонячної енергії. Усі вищевикладені фактори дають підставу вважати, що на Україні існують необхідні і достатні умови для широкомасштабного впровадження геліоенергетики в промисловість і народне господарство[23].
1. Robertson G. A typical day in the life of planet earth Sun World, september 1992, vol.16, N 3, 9.
2. Wood M., Fulop L. Environment and development: Why energy matters. Sun World, June 1992, vol.16, N 2, 24-25.
3. Hohmeyer O. Social Cost of Energy Consumption. Springer-Verlag, New York, 1988.
4. Anne-Grette Hestnes Advanced Solar low-energy buildings, Sun World, 1992, September, vol. 16, N 3-16.
5. Gregury J. A Solar Rreview. Sun World, 1992, June, Vol. 16, N2, 13-18.
6. Schar S. Entering the Solarage: a question of will. Sun World, 1991, November/Desember. Vol. 15, N 5, 2-3.
7. Троицкий В.А. Глобальная экология и стратегия развития энергетики. Альтернативные источники энергии: эффективность и управление. 1990, N 2, 19-23.
8. Phatabod F. Economis and strategic aspects of solar electriciti for lage scale application seminar on Solar Power Systems. Alushta. USSR, 22-26, april 1991, 1-12.
9. Лидоренко Н.С., Евдокимов В.М., Стребков Д.С. Развитие фотоэлектрической энергетики. -М., Информэлектро, 1988, 50 стр.
10. Ouwens C.D. Cheap Electriciti with autonoms Solar cell systems. Province of North Holland, POB 3007, 2001 D.A. Haarlem, Holland, 1-19.
11. Suntola T. The Future of Photovoltaic Power Conncil of Europe/Commitee on Seience and Technology, Helsinki June, 1991, 1-6.
12. Sigh R. Economic requierements for new materials for solar Photovoltaic cells, Solar Energy, 1980, Vol. 24, N 6, 589-592.
13. The Earth crust and Upper mantle, ed. by P.J.Hart, Wash, 1969.
14. Энергетика мира: уроки будущего. Под ред. Башмакова И.А. -М., МТЭА, 1992, 325-329.
15. Салли И.В., Фалькевич Э.С. Производство полупроводникового кремния. -М., 1970.
16. Базаров Б.А., Заддэ В.В., Стебков Д.С. и др. Новые способы получения кремния солнечного качества. Сб. "Солнечная фотоэлектрическая энергетика". Ашхабад, изд. Ылым, 1983, 56-59.
17. Schulze F.W. and others. Progress on The carbotermic prodaction of Solar-Grande silicon using high-purity starting materials, IEEE, 1984, 584-587.
18. Amick J.A., Larsen K. and oth. Improved High-Purity Arc-Furnace Silicon for Solar Cell J.Electrochem Soc, 1985, Vol. 132, N 2, 339-345.
19. Грабмайер И.Г. " Сименс ". Дешевое изготовление качественного солнечного кремния и листового кремния для солнечных элементов. Труды 7 международной конференции по использованию солнечной энергии 9-12 октября 1990 г. Франкфурт, Германия, 1102-1110.
20. ЧАШКО М.В., ЛЄВШОВ О.В., ФІЛЬ К.О.Спосіб відбору електричної енергії від сонячної батареї. Бюл. №11, 15.11.2005 г.
21. Филь Е.А., Виртуальная модель солнечного энергоблока. Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації. Кременчук 2004 р. С.
22. Филь Е.А., Виртуальная модель солнечного энергоблока. Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації. Тезисі докладов Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих вчених, "Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації" КРЕМЕНЧУК, 18 – 20 квітня 2005 р. С.110.
23. Б.Т. Бойко, Ю.Г. Гуревич Физика фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии, Харьков, „Основа“, 1992.
24.http://www.utro.ru/articles/2004/09/09/349256.shtml – Архив новин науки і наукових разрабок газети «Утро».