Солнечные батареи

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Устройство и принцип работы солнечных батарей. Применение.

2.1. Характеристики и устройство солнечных батарей.

Модули солнечной батареи  наземного применения как правило конструируются для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12В. При этом последовательно соединяются 36 солнечных элементов, и далее собираются в модуль. Полученный пакет как правило обрамляют в алюминиевую раму, облегчающую крепление к несущей (опорной) конструкции. Мощность модулей солнечной батареи может достигать 10-300Вт.

Электрические параметры  солнечных батарей, как и единичных модулей, отражаются в вольтамперной характеристике, определенной при стандартных условиях (т.е. когда мощность солнечной радиации равняется 1000 Вт/м², температура элементов - 25°С и солнечный спектр - на широте 45°), и имеет тот же вид, что и единичного модуля. (рис 2.1). Точка пересечения кривой с осью напряжения называется напряжением холостого хода V_х.х., а с осью тока - током короткого замыкания I_к.з. На этом же графике приведена кривая мощности, получаемой от солнечных элементов в зависимости от нагрузки. Номинальная мощность модуля определяется как наибольшая мощность при стандартных условиях. Значение напряжения, соответствующее максимальной мощности именуется рабочим напряжением V_р, а соответствующий ток - рабочим током I_р. Значение рабочего напряжения для модуля, состоящего из 36 элементов примерно равно 16-17В (0,45-0,47В/элемент) при 25°С. Такой запас по напряжению нужен для того, чтобы компенсировать уменьшение рабочего напряжения при разогреве модуля солнечным излучением. Температурный коэффициент напряжения холостого хода для кремния составляет - минус 0,4%/градус. Температурный коэффициент тока - плюс 0,07 %/градус. Напряжение холостого хода солнечного модуля мало меняется при изменении освещенности, в то время как ток короткого замыкания прямо пропорционален. КПД солнечного модуля определяется как отношение максимальной мощности модуля к общей мощности излучения, падающей на его поверхность при стандартных условиях, и составляет 15-40%.

 

 
Рис.2.1. Вольтамперная и вольтваттная характеристики солнечной батареи.

С целью получения требуемой  мощности и рабочего напряжения модули соединяют последовательно или  параллельно. Так получают солнечную  батарею. Мощность солнечной батареи  всегда ниже, чем сумма мощностей  модулей - из-за потерь, обусловленных  различием в характеристиках  однотипных модулей (потерь на рассогласование). Чем тщательнее подобраны модули в батарее (то есть, чем меньше различие в характеристиках модулей), тем  ниже потери на рассогласование. К примеру, при последовательном соединении десяти модулей с разбросом характеристик 10% потери составляют примерно 6%, а при  разбросе 5% - снижаются до 2%.

В случаи затенения одного модуля, или части элементов в  модуле, в солнечной батарее при  последовательном соединении появляется "эффект горячего пятна" - затененный модуль (или элемент) начинает рассеивать всю производимую освещенными модулями (или элементами) мощность, стремительно нагревается и выходит из строя. Для устранения этого эффекта  параллельно с каждым модулем (или его частью) устанавливают шунтирующий диод. Диод нужен при последовательном соединении более двух модулей. К каждой линейке (последовательно соединенных модулей) также подключается блокирующий диод для выравнивания напряжений линеек. Все эти диоды как правило размещаются в соединительной коробке самого модуля. Схема батареи приведена на рисунок 2.2.

Рис.2.2. Схема диодов в солнечной батареи.

Вольтамперная кривая солнечной  батареи имеет тот же вид, что  и единичного модуля. Рабочая точка  батареи, подключенной к нагрузке, не всегда совпадает с точкой максимальной мощности (тем более, что положение последней зависит от условий освещенности и 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). Вследствие этого следующий важный компонент солнечной батареи - преобразователи напряжения, способные согласовывать солнечную батарею с нагрузкой. Общая схема солнечной электростанции имеет показана на рисунках 2.3 и 2.4 .

 

 
Рис.2.3. Схема автономной солнечной электростанции.

 
Рис.2.4. Схема солнечной электростанции объединенной с промышленной электросетью.

 

3.2. Элементы солнечных батарей и дополнительные компоненты.

Регуляторы отбора мощности батареи.

Обычно, в этих регуляторах  реализуется принцип поиска максимума  мощности путем коротких периодических  изменений положения рабочей  точки. Если при этом мощность на выходе прибора возрастает, то положение  рабочей точки меняется в этом направлении при последующем  шаге. Таким образом непрерывно оптимизируется нагрузочная характеристика для отбора максимальной мощности, а также обеспечивается возможность регулировки в широком динамическом диапазоне и формирования импульсов тока, способных зарядить аккумуляторную батарею даже в условиях слабой освещенности. Этот достаточно простой алгоритм может быть улучшен запоминанием часто повторяющихся направлений смещения рабочей точки (для устранения шагов смещения в ложных направлениях), что бывает важно в условиях быстро меняющейся освещенности. На выходе регулятора формируются импульсы постоянного тока, ширина и частота следования которых зависят от мощности, производимой солнечной батареей в данный момент. При этом, если рабочее напряжение нагрузки ниже, чем рабочее напряжение модуля, то можно получать большие значения токов в нагрузке, чем ток короткого замыкания батареи. Нужно учитывать, что регуляторы имеют КПД 0,85-0,95.

 

Аккумуляторы в системе солнечной батареи.

Выработанную солнечной  батареей энергию можно сохранять в разных формах: 
•химическая энергия в электрохимических аккумуляторах; 
•потенциальная энергия воды в резервуарах; 
•тепловая энергия в тепловых аккумуляторах; 
•кинетическая энергия вращающихся масс или сжатого воздуха.

 
       Для солнечных батарей больше подходят электро-аккумуляторы, так как солнечные батареи производят, а потребитель потребляет электроэнергию, которая непосредственно и запасается в аккумуляторе. Исключение - солнечные станции для водоснабжения, где потребляется вода, а энергия запасается в потенциальной энергии воды в водонапорной башне.

В большинстве фотоэлектрических  систем применяют свинцово-кислотные  аккумуляторы. Нужно сразу подчеркнуть, что аккумуляторы специально предназначенные для солнечных батарей (и других подобных систем), существенно отличаются от стартерных автомобильных аккумуляторов, пусть даже имеющих в основе туже технологию.

Главными условиями по выбору аккумуляторов являются: 
•стойкость к циклическому режиму работы; 
•способность переносить без последствий глубокий разряд; 
•низкий саморазряд аккумулятора; 
•некритичность к нарушению условий зарядки и разрядки; 
•долговечность; 
•простота в обслуживании;  
•компактность и герметичность (важный критерий для переносных или периодически демонтируемых солнечных батарей).

Этим требованиям в  полной мере удовлетворяют аккумуляторы, изготовленные по технологиям "dryfit" и AGM (адсорбированный электролит) или рекомбинационной технологии. Они характеризуются отсутствием эксплуатационных затрат и перекрывают диапазон емкостей 1-12000А•ч, что позволяет удовлетворять требованиям всех потребителей. Эти аккумуляторы отличаются пониженнымгазовыделением и рекомбинацией кислорода. Вследствие этого вода электролита не электролизуется и не испаряется, и такие аккумуляторы не требуют доливки электролита. К примеру, аккумуляторы одной из фирм с трубчатыми положительными пластинами, имеют следующие характеристики:

•большой срок службы -15 лет; 
•стойкость к циклическому режиму - более 1200 циклов; 
•отсутствие необходимости обслуживания в течение всего срока службы; 
•минимальное газовыделение (благодаря применению сплава без сурьмы и использованию технологии внутренней рекомбинации газа); 
•саморазряд - примерно 3% в месяц.

Вследствие высокой стоимости  таких аккумуляторов, появляется желание  использовать обычные стартерные свинцово-кислотные  аккумуляторные батареи (автомобильный  аккумулятор). Срок службы таких аккумуляторов  в составе солнечной батареи - не более 3-5 лет. Вследствие этого за срок использования солнечной батареи (15-20 лет и более) необходимо будет  менять аккумуляторы (к этому добавятся  затраты на обслуживание аккумуляторов  и оборудование помещений).

С целью получения требуемого рабочего напряжения аккумуляторы или  аккумуляторные батареи соединяют  последовательно. При этом следуют  определенным правилам:

•используют аккумуляторы только одного типа, произведенные одним изготовителем; 
•эксплуатируют все аккумуляторы одновременно, не делая отводов от отдельных аккумуляторов составляющих аккумуляторную батарею; 
•не объединяют аккумуляторы с разницей в дате выпуска более чем на месяц в одну аккумуляторную батарею; 
•обеспечивают разницу температур отдельных аккумуляторов не более 3°С.

Ради продления срока  службы аккумуляторов при циклическом  режиме работы в солнечных батареях важно не допускать глубокого  разряда. Уровень разряда характеризуется  глубиной разряда, которая выражается в процентах от номинальной емкости  аккумулятора. На рисунке 2.5 изображена зависимость емкости аккумулятора (в процентах от номинальной) от количества отработанных циклов при различной глубине разряда (аккумуляторы FIAMM GS). Таким образом, эксплуатация аккумуляторов при глубоком разряде ведет к их более частой замене и, соответственно, к удорожанию системы. Глубину разряда аккумуляторов солнечных батарей стараются ограничить на уровне 30-40%, что достигается отключением нагрузки (или снижением мощности) либо использованием аккумуляторов большей емкости.

 
Рис.2.5. Зависимость емкости аккумулятора от количества отработанных циклов при различной глубине разряда.

 

Вследствие этого, для  управления процессом зарядки и  выбора оптимального режима, в состав солнечной электростанции обязательно  включают контроллеры зарядки-разрядки аккумуляторной батареи.

 

Регуляторы зарядки  и разрядки аккумуляторов.

Стоимость регулятора заряда составляет не выше 5% от стоимости всей системы (однако от качества зарядных регуляторов зависит то, как часто  придется менять аккумулятор). Чтобы  предохранить батарею от избыточной разрядки, нагрузка должна быть отключена, когда напряжение батареи опускается ниже напряжения отключения. Нагрузка не должна подключаться до момента, когда  напряжение не возрастет до определенного  значения (напряжения подключения). Имеются  довольно противоречивые стандарты  этих значений. Они зависят от конструкции  определенных батарей, производственного  процесса и срока службы аккумуляторных батарей. В некоторых моделях  регуляторов применяется звуковой сигнал, который сообщает пользователю о скором отключении питания.

Чтобы защитить батарею от перезарядки надо ограничить зарядный ток при достижении напряжения завершения зарядки. Напряжение начнет снижаться, пока не достигнет другого порога, называемого напряжением возобновления  заряда. Небольшие солнечные электростанции имеют склонность к перепотреблению энергии (а не к перезарядке) вследствие этого допускается перезарядка, и при этом нужно применять более высокое напряжение завершения заряда.

Выше изложенное относится к регуляторам для автономных солнечных электростанций небольшой мощности (до 1кВт). У более мощных системах солнечных батарей функции контроля зарядки и разрядки берет на себя системный контроллер (управляющий также всей системой). Как правило это устройство сопряжено с компьютером (осуществляющим к тому же постоянный мониторинг за работой элементов с записью значений освещенности, температуры, тока и напряжения для дальнейшего анализа).

 

Инверторы.

Солнечный генератор (каким  бы сложным и большим он не был) может вырабатывать лишь постоянный ток. К счастью, имеется много  потребителей, использующих именно постоянный ток (зарядка аккумуляторов, освещение, радиоаппаратура и т.д.), но потребителей переменного напряжения 220В ни меньше. Для преобразования постоянного тока аккумуляторной батареи в переменный синусоидальной формы, нужен инвертор.

Инверторы - полупроводниковые  приборы. Они могут быть поделены на два типа в соответствии с типом  фотоэлектрических систем:

• инверторы для автономных систем солнечных батарей; 
• инверторы для сетевого использования. 
      Выходной каскад у обоих типов во многом похож, а основное отличие в схеме управления. Первый тип имеет генератор частоты, а второй должен работать синхронно с промышленной сетью (и в качестве генератора частоты использует саму сеть).

Для всех типов ключевой параметр - КПД (который должен быть более 90%). Выходное напряжение автономных инверторов как правило составляет 220В (50/60 Гц), а в инверторах мощностью 10-100кВт можно получать трехфазное напряжение 380В. Все автономные инверторы трансформируют постоянный ток аккумуляторных батарей. Вследствие этого входное напряжение выбирается из ряда 12, 24, 48 и 120В. Чем больше входное напряжение, тем проще инвертор и тем выше его КПД. При больших напряжениях существенно меньше потери на передачу энергии от солнечного генератора к аккумуляторной батарее, регулятору зарядки и инвертору, однако при этом усложняется конструкция солнечной электростанции и ее эксплуатация при опасных напряжениях (выше 40 В). К форме выходного сигнала автономных инверторов предъявляются менее жесткие требования. В ряде случаев (если позволяет нагрузка) возможно использование инверторов с трапециевидным выходным сигналом. Такие инверторы стоят в 2-3 раза дешевле инверторов с синусоидальным выходным сигналом. Важный параметр автономных инверторов - зависимость КПД от мощности подключенной нагрузки. КПД не должен значительно снижаться при подключении нагрузки в десять раз меньшей (по потребляемой мощности), чем номинальная мощность инвертора. Вместе с тем инвертор должен выдерживать перегрузки в выходных цепях (при подключении электродвигателей и прочих динамичных нагрузок). Таким образом, к автономному инвертору предъявляются следующие требования: