Солнечные батареи

•способность переносить без последствий перегрузки (как кратковременные, так и длительные); 
•маленькие потери при малых нагрузках и на холостом ходу; 
•стабилизация выходного напряжения; 
•низкий коэффициент гармоник; 
•высокий КПД; 
•отсутствие помех на радиочастотах.

Иностранные фирмы предлагают широкий ассортимент инверторов, специально разработанных для солнечных  батарей. Такие инверторы уже  имеют блок регулятора отбора максимальной мощности, блок регулятора заряда, а  также дополнительный вход подключения  дизель-генератора (для экстренной подзарядки аккумуляторной батареи).

К выходному сигналу сетевых  инверторов предъявляются наиболее жесткие требования. Для понижения  потерь на преобразование такие инверторы  работают при высоких входных  напряжениях. Поскольку их входные  цепи запитываются напрямую от солнечной батареи, инверторы имеют регулятор отбора максимальной мощности (встроенный в инвертор). Сетевые инверторы имеют также блок контроля мощности солнечной батареи (и включаются автоматически, как только мощность солнечной батареи становится достаточной для формирования переменного сигнала).

 

3.3. Применение солнечных батарей.

Солнечная электростанция - инженерное сооружение, служащее преобразованию солнечной радиации в электрическую  энергию. Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции.

Получение электроэнергии от солнца давно применяется во всем мире. Главной задачей ученых на данный момент является необходимость  так усовершенствовать имеющиеся  технологии, чтобы как можно больше увеличить их КПД.

Солнечные электростанции преобразуют  энергию солнечной радиации в  электроэнергию. Они бывают двух видов:

1. фотоэлектрические - непосредственно  преобразуют солнечную энергию  в электроэнергию при помощи фотоэлектрического генератора.

2. термодинамические - преобразуют солнечную энергию в тепловую, а потом в электрическую; мощность термодинамических солнечных электростанций выше, чем мощность фотоэлектрических станций.

Фотоэлектрические солнечные электростанции.

Главным элементом фотоэлектрических  станций являются солнечные батареи. Они состоят из тонких пленок кремния  или других полупроводниковых материалов и могут преобразовывать солнечную  энергию в постоянный электрический ток.

Фотоэлектрические преобразователи  отличаются надежностью, стабильностью, а срок их службы практически не ограничен. Они могут преобразовывать  как прямой, так и рассеянный солнечный  свет. Небольшая масса, простота обслуживания, модульный тип конструкции позволяет  создавать установки любой мощности. К недостаткам солнечных батарей  можно отнести высокую стоимость и низкий КПД.

Солнечные батареи используют для энергоснабжения автономных потребителей малой мощности, питания  радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных  электромобилей и самолётов. Есть надежда, что в будущем им найдут применение в отоплении и электроснабжении жилых домов.

 

Термодинамические солнечные электростанции.

В устройстве термодинамических  солнечных электростанций используют теплообменные элементы с селективным  светопоглощающим покрытием. Они способны поглощать до 97% попадающего на них солнечного света. Эти элементы даже за счет обычного солнечного освещения могут нагреваться до 200°С и более. С помощью них воду превращают в пар в обычных паровых котлах, что позволяет получить эффективный термодинамический цикл в паровой турбине. КПД солнечной паротурбинной установки может достигать 20%.

На основе этого эффекта  была разработана конструкция аэростатной  солнечной электростанции. Источником энергии в ней является баллон аэростата, заполненный водяным  паром. Внешняя часть баллона  пропускает солнечные лучи, а внутренняя покрыта селективным светопоглощающим покрытием, и позволяет нагревать содержимое баллона до 150-180°С. Полученный внутри пар будет иметь температуру 130-150°С, а давление такое же как атмосферное. Распыляя воду внутри баллона с перегретым паром, получают генерацию пара.

Пар из баллона отводится  в паровую турбину посредством  гибкого паропровода, а на выходе из турбины превращается в конденсаторе в воду. Из него воду с помощью  насоса подают обратно в баллон. За счет пара накопленного за день, такая  электростанция может работать и  ночью. В течение суток мощность турбогенератора можно регулировать в соответствии с потребностями.

Главной проблемой является способ размещения солнечных аэростатных  электростанций. Такие электростанции можно размещать над землей, над  морем или в горах. В каждом случае есть свои плюсы и минусы. Здесь необходимо все учитывать  и длину паропровода, и место  размещения турбогенератора, и то, чтобы  баллоны не мешали движению самолетов

Существуют и другие способы  получения энергии от солнца, и  если удастся решить все проблемы, то спрос на такую продукцию может  быть практически неограничен. С помощью новых разработок можно будет решить проблемы энергоснабжения отсталых труднодоступных районов, сократить потребление топливных ресурсов в больших мегаполисах, защитить окружающую среду от излишнего загрязнения выбросами вредных веществ.

 

Типы солнечных  электростанций.

Все солнечные электростанции (сэс) подразделяют на несколько типов:

" СЭС башенного типа.

" СЭС тарельчатого  типа.

" СЭС, использующие  фотобатареи.

" СЭС, использующие параболические концентраторы.

" Комбинированные СЭС.

" Аэростатные солнечные  электростанции.

 

СЭС башенного  типа.

Данные электростанции основаны на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации. В центре станции стоит башня  высотой от 18 до 24 метров (в зависимости  от мощности и некоторых других параметров высота может быть больше либо меньше), на вершине которой находится  резервуар с водой. Этот резервуар  покрыт чёрным цветом для поглощения теплового излучения. Также в  этой башне находится насосная группа, доставляющая пар на турбогенератор, который находится вне башни. По кругу от башни на некотором  расстоянии располагаются гелиостаты. Гелиостат - зеркало площадью в несколько  квадратных метров, закреплённое на опоре  и подключённое к общей системе  позиционирования. То есть, в зависимости  от положения солнца, зеркало будет  менять свою ориентацию в пространстве. Основная и самая трудоемкая задача - это позиционирование всех зеркал станции так, чтобы в любой  момент времени все отраженные лучи от них попали на резервуар. В ясную  солнечную погоду температура в  резервуаре может достигать 700 градусов. Такие температурные параметры используются на большинстве традиционных тепловых электростанций, поэтому для получения энергии используютс я стандартные турбины. Фактически на станциях такого типа можно получить сравнительно большой КПД (около 20 %) и высокие мощности.

Пример: Солнечная башня, Севилья, Испания. Построена в 2007 СЭС в Крыму.

В Крыму была построена  СЭС такого же типа в Щёлкино как резервный источник электричества для планируемой там АЭС. Но по большому счету, эта станция была экспериментальной: ее мощность 5 МВт. При эксплуатации этой станции было выявлено множество трудностей. Одна из них - система позиционирования отражателей практически полностью (95 %) расходовала энергию, вырабатываемую станцией. Также возникали трудности с очисткой зеркал. Вскоре эта станция прекратила своё существование и была разворована.

 

СЭС тарельчатого типа.

Данный тип СЭС использует принцип получения электроэнергии, схожий с таковым у Башенных СЭС, но есть отличия в конструкции самой станции. Станция состоит из отдельных модулей. Модуль состоит из опоры, на которую крепится ферменная конструкция приемника и отражателя. Приемник находится на некотором удалении от отражателя, и в нем концентрируются отраженные лучи солнца. Отражатель состоит из зеркал в форме тарелок (отсюда название), радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 2 метров, а количество зеркал - нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять как из одного модуля (автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью).

 

СЭС, использующие фотобатареи.

СЭС этого типа в настоящее  время очень распространены, так  как в общем случае СЭС состоит  из большого числа отдельных модулей (фотобатарей) различной мощности и выходных параметров. Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т. д.). Устанавливаться фотобатареи могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями. Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением небольшого посёлка.

 

 

 

СЭС, использующие параболические концентраторы.

Принцип работы данных СЭС  заключается в нагревании теплоносителя  до параметров, пригодных к использованию в турбогенераторе.

Конструкция СЭС: на ферменной  конструкции устанавливается параболическое зеркало большой длины, а в  фокусе параболы устанавливается трубка, по которой течет теплоноситель (чаще всего масло). Пройдя весь путь, теплоноситель разогревается и  в теплообменных аппаратах отдаёт теплоту воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор.

 

Комбинированные СЭС.

Часто на СЭС различных  типов дополнительно устанавливают  теплообменные аппараты для получения  горячей воды, которая используется как для технических нужд, так  и для горячего водоснабжения  и отопления. В этом и состоит  суть комбинированных СЭС. Также на одной территории возможна параллельная установка концентраторов и фотобатарей, что тоже считается комбинированной СЭС.

Солнечная энергетика - непосредственное использование солнечного излучения  для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

 

Солнечный транспорт.

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных  транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т.д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая  используется для бортового питания  транспортного средства, или для  электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические  элементы устанавливают на крыши  ж/д поездов. Они производят электричество  для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля ToyotaPrius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10%.

 

Самолеты на солнечных  батареях.

      Одним из самых важных достижений не только в самой истории самолетостроения, но и в самолетостроении 21 века – стало, безусловно, создание самолетов на солнечных батареях, способных длительное время находиться в воздухе, не расходуя при этом ни капли горючего. Моторы таких самолетов работают только за счет электричества, вырабатываемого лучами солнца.  
        Эта отрасль в самолетостроении является приоритетной из-за своих положительных перспектив. Экологически чистый транспорт - это не только очень модно, но и со временем становится жизненно необходимой мерой. Учащающиеся примеры последствий глобального потепления и его антропогенная природа заставляет человечество искать альтернативные виды топлива. Такие самолеты существенно экономят электроэнергию, т.к. солнечная энергия является возобновляемым источником.  
       Для обеспечения полноценной работы четырех электромоторов на крыльях самолета расположены солнечные батареи общей площадью 200-300 квадратных метров. КПД самых лучших батарей составляет около 30%, но они имеют существенный недостаток - они самые тяжелые и толстые. Поэтому в строительстве используют более легкие и тонкие литиевые аккумуляторы весом 450 – 500 кг. В целях снижения массы конструкция самолета предполагает применение деталей сделанных из облегченных материалов. Корпус самолета изготавливается из сверхлегких материалов, а все конструкции самолета сделаны из прочных углепластиков. Используя энергию солнца, они могут летать и днем, и ночью, как обычные самолеты.  
      Принцип работы самолета на солнечных батареях состоит в том, что днем он поднимается со скоростью в 35 км/час на максимальную высоту 9500 метров, получая энергию от 12000 фотогальванических элементов, которые расположены на крыльях самолета размахом 65 метров. Это необходимо для того, чтобы солнечные батареи полностью зарядились, а затем самолет опускается до высоты 1500 метров и совершает ночной полет на этой высоте. Крейсерская скорость самолета на солнечных батареях сопоставима со скоростью движения автомобиля по городу — около 70 км/ч, это скоростное ограничение связано с недостаточной мощностью двигателей (каждый двигатель мощностью 10 лошадиных сил). К тому же для экономии электроэнергии самолет должен стабильно поддерживать такую скорость. Утром следующего дня самолет вновь набирает высоту, чтобы подзарядиться солнечной энергией, а с приближением ночи опускается и летит, благодаря накопленной днем энергии. 
      Область применения самолетов на солнечных батареях довольно обширна. Такие аппараты нужны для разведки и связи, а также для осуществления наблюдения за поверхностью земли в тех или иных научных, гражданских и военных целях. Главное их преимущество - способность на длительное время зависать над определенным участком местности.  
     Пока что успехи в этой области касаются только беспилотных самолетов, но уже сейчас ведутся технические и конструкторские работы по усовершенствованию беспилотных самолетов и их превращению в пилотируемые. Планируются строительство более крупных моделей, в которых будет использована усовершенствованная летная аппаратура, вдобавок кабина пилота будет полностью герметичной. Глобальная цель создания таких самолетов – осуществление пилотируемого полета вокруг Земли с минимальным числом посадок исключительно за счет солнечной энергии. И вот в 2012 году самолет с двигателем на солнечных батареях и не выбрасывающий в атмосферу загрязняющие вещества, совершает первый кругосветный полет.