CC BY
102ЭНЕРГЕТИКА И АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
(ENERGY & ALTERNATIVE ENERGY)
УДК 621.317
Бабаев Ф.Б.
докторант
Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности
(г. Баку, Азербайджан)
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Аннотация: в современном мире солнечная энергия стала более широко использоваться как источник возобновляемой энергии. Это связано с тем, что солнечная энергия доступна, неисчерпаема и экологически безопасна. В статье рассматривается технология преобразования солнечного света в электричество, преимущества и недостатки использования солнечной энергии.
Ключевые слова: солнечная энергия, панели, станция, солнечные батареи, фотоэффект.
С начала этого века особую остроту приобрели проблемы, связанные с истощением топлив, получаемых из месторождений полезных ископаемых, и его негативным воздействием на окружающую среду. Несмотря на то, что глобальное потепление еще не ощущается в высокой степени, локальное потепление вызывает ураганы, наводнения и т.п. разрушительное воздействие и интенсивность природных явлений стали возрастать. Все это привело к иной оценке современной ситуации в энергетике, а разработка новых видов энергии и методов энергосбережения стала одной из важнейших задач [1].
Ежегодно организуются семинары и конференции на высшем уровне для предотвращения кризиса в энергетике, поиска путей, принимаются национальные и международные программы по развитию чистых технологий и новых видов производства энергии на различных уровнях. Люди действительно
осознают опасность потери традиционных энергетических ресурсов, таких как нефть, газ и уголь, и понимают важность работы по более широкому использованию возобновляемых источников энергии.
В солнечных электростанциях солнечные лучи преобразуются в электричество. В зависимости от вида источников энергии электростанции бывают гидроэлектрическими, тепловыми, атомными, ветровыми и др. они разделены на электростанции [2, 3].
Обычно силовые установки работают в одном из следующих трех
режимов:
• автономный - при отсутствии других источников энергии (например, электросети);
• резервная - электросеть играет роль основного источника питания и станция подключается только в случае аварии;
• работа совместно с основной сетью - этот вариант используется при подаче больших мощностей или снижении пиковых нагрузок;
Производство электроэнергии с помощью солнечных электростанций -динамично развивающееся направление альтернативной энергетики. При преобразовании солнечной энергии в электрическую эти системы могут поставляться потребителям без подключения к центральной электросети.
Солнечная система электроснабжения состоит из четырех основных компонентов: солнечных панелей, контроллера, инвертора и аккумуляторной батареи. Эти элементы необходимы для бесперебойной работы солнечной электростанции. Солнечные батареи являются основным оборудованием, преобразующим солнечный свет в электричество. Солнечные панели, соединенные вместе, определяют количество вырабатываемой энергии в целом.
Принцип работы солнечных батарей основан на явлении фотоэффекта. Солнечные элементы изготавливаются из полупроводниковых материалов со свойствами фотоэффекта. В современное время технология преобразования
солнечной энергии в электрическую получила полное развитие. В настоящее время он работает над снижением стоимости фотоконвертеров [5].
- Световые лучи от солнца - фотоны попадают на поверхность солнечного элемента и поглощаются его рабочим материалом, например, кремнием.
- Фотоны сталкиваются с атомами кремния и выбивают из них электроны. В результате возникает разность потенциалов. Свободные электроны начинают двигаться внутри тела, преодолевая разность потенциалов — захватывая свободные положительные «дырки». Таким образом, возникает электрический ток. Поскольку солнечный элемент является полупроводником, электроны движутся только в одном направлении.
Однако солнечные батареи дороги и имеют низкий КПД, зависимость солнечных станций от географических зон, невозможность получения энергии в ночное время и т. д. по некоторым причинам гелиоэнергетика не может превзойти традиционную энергетику. Помимо упомянутого, одним из перспективных направлений в энергообеспечении отдельных малых объектов является использование солнечных фотоэлектрических устройств. Развитие малых солнечных электростанций, работающих параллельно с сетью или в автономном режиме, может сыграть эффективную роль в улучшении электроснабжения малых объектов. Поэтому исследование и совершенствование малых солнечных фотоэлектрических устройств является актуальным и имеет большое практическое значение.
В настоящее время ведутся активные исследования новых методов и устройств преобразования солнечной энергии в электрическую, а также повышения производительности существующих технологий. Основным вопросом при применении солнечных элементов является выбор материала фотоэлемента. В современное время чаще используются модули, изготовленные на основе монокристаллического и поликристаллического кремния.
Появление пленочных солнечных панелей стало одним из важных шагов на пути повышения эффективности фотоэлементов. Такие аккумуляторы
изготавливаются из селено-медно-индиевых пленок в теллуриде кадмия. Кроме того, созданы новые типы солнечных панелей на основе полифенилена, фуреллена и полимерных материалов на основе фталоцианина меди.
Для повышения КПД солнечных батарей используются следующие методы:
- развитие передовых технологий в направлении удешевления фотоэлементов и увеличения КПД;
- использование концентратов солнечной радиации;
- использование систем слежения за солнцем;
- применение многослойных фотоэлементов.
Конденсатор - это устройство, которое собирает солнечную энергию с большой площади и направляет ее на относительно меньшую площадь. В настоящее время он представлен в виде параболических зеркал и линз Френеля. Существуют и другие виды многокомпонентных комплексных систем, которые не нашли широкого применения из-за некоторых недостатков. Однако показано, что предлагаемые в настоящее время акриловые концентраты обладают превосходными свойствами.
Существует два основных метода преобразования солнечной энергии: фототермический и фотоэлектрический. В первом случае теплоноситель нагревается до высокой температуры в солнечном коллекторе и используется для вращения турбогенератора, вырабатывающего электроэнергию, или для снабжения и обогрева зданий горячей водой. Во втором случае солнечная энергия напрямую преобразуется в электрический ток с помощью полупроводникового фотоэлемента — солнечной батареи. В настоящее время прямое преобразование солнечной энергии в электрическую считается наиболее оптимальным вариантом. Этот фотоэффект стал возможен благодаря использованию события.
Принцип работы фотопреобразователя основан на фотоэффекте, возникающем в полупроводниковом элементе с р-п переходом. Когда фотон, несущий солнечную энергию, достигает р-п перехода, образуется электронно-дырочная
пара. Носители заряда (один электрон и одна «дырка») разделяются на стыке и переносятся на отрицательный и положительный электроды соответственно, производя таким образом постоянный электрический ток [1], который преобразуется в постоянный ток. Солнечные элементы собираются из модулей, изготовленных на основе кристаллического кремния. В зависимости от области применения солнечные модули изготавливаются разной конструкции и разной мощности.
Тонкопленочные солнечные элементы относительно недороги в производстве, не требуют прямого воздействия солнечных лучей, могут работать с рассеянными лучами, их можно устанавливать на стены зданий. В таких солнечных модулях очень тонкий слой (толщиной от одного до двух микрон) наносится на подложки из полупроводниковой стали или стекла.
В настоящее время кремний используется в массовом производстве солнечных элементов. Арсенид галлия (GaAs) используется в производстве высокоэффективных солнечных элементов. Он в основном используется в космической технике, и его КПД составляет до 25-30%.
Современные фотоэлементы на основе кремния имеют возможность преобразовывать в электричество лишь 15-20% энергии солнечных лучей, падающих на один квадратный метр поверхности. Этот показатель составляет 10-12% у теллурида кадмия; 15-20% селена в меди-индии; а в элементах на основе полимеров - 5-6% Однако в настоящее время наиболее промышленно производятся фотоэлементы на основе кремния. В результате использования систем слежения за солнцем в солнечных элементах, изготовленных из таких фотоэлементов, удалось повысить КПД [8,9].
В последнее время наблюдается большой прогресс как в изучении принципа работы фотоэлектрических (электричество, генерируемое под действием света) элементов, так и в повышении их эффективности. Это связано с тем, что солнечная энергия имеет некоторые преимущества перед другими видами возобновляемой энергии. Они следующие:
• высокая надежность;
• быть экономически эффективным;
• не загрязняет окружающую среду;
• простота эксплуатации;
В настоящее время в производстве солнечных элементов используют монокристаллический и поликристаллический кремний (рис. 1). Поверхность монокристаллических элементов однородная черно-синяя, углы закруглены, КПД до 25,6%. Это связано с технологией его изготовления.
шишшниш
11111111111111)111 11Н1Н1111111Н11 11111111111111)111 111111111111(1)111 инптпишп 11)11)11)111111111 шишкшши 11)111(1111111111)
Мопокпз1а1 РоИкпз1а1
Рис. 1 Солнечные панели
1 1' 4 .
и [ГГ
и Г II ГГТ1 11 | 1 I
■ | || 1 1
1 1 тт| ГМ1
Технология производства поликристаллического кремния проще и дешевле, но наличие в его составе многочисленных кристаллов и смесей приводит к образованию неоднородных участков на поверхности [11]. Поликристаллические солнечные элементы имеют более яркий синий цвет и КПД до 22,4% [3].
Монокристаллические солнечные элементы состоят из кремниевых пластин толщиной 250-300 мкм. Это до 25% эффективности монокристаллических солнечных элементов. Такие солнечные батареи используются на крышах домов, для освещения фонарей, питания бытовых приборов и т. д. Это использовано. Схема подключения следующая: солнечная панель - контроллер - батарея - инвертор - исполнительные устройства (рис. 2).
Рис. 2 Размещение солнечной панели К - солнечная панель с устройствами управления и контроля - контроллер, А - аккумуляторная батарея, И - инвертор.
Контроллер представляет собой электронное устройство, которое управляет зарядкой и разрядкой солнечной батареи, защищает систему от перезаряда и короткого замыкания. Аккумулятор - служит для сбора электрической энергии. Инвертор преобразует постоянный ток от аккумуляторной батареи в переменный ток промышленной частоты. Монокристаллические солнечные элементы производятся с размерами от 306x216x18 мм до 1950x992x50 мм и весом от 0,8 кг до 24 кг. Рабочее напряжение от 21,6 В до 59,5 В, а значение тока от 0,29 А до 7,98 А. Мощность солнечных панелей может достигать 15-250 Вт [10, 11].
Недостатки солнечных батарей:
- низкий К. П.Д;
- снижение эффективности при поверхностном загрязнении;
- снижение производительности фотоэлемента при повышении температуры;
- требовательна к сопротивлению нагрузки - для устранения этого недостатка следует использовать контроллер;
- ухудшение характеристик со временем;
- иметь высокую цену.
Солнечная батарея собрана из полупроводниковых элементов (фотоэлементов) с р-п проводимостью. На выходную мощность фотоэлементов влияют такие параметры, как характеристики материала, из которого он изготовлен, интенсивность солнечных лучей и температура. Повышение температуры солнечного элемента отрицательно сказывается на его способности генерировать электричество. С ростом температуры электрические характеристики солнечных элементов снижаются из-за увеличения скорости взаимной рекомбинации внутренних носителей заряда.
Повышение температуры солнечного элемента отрицательно сказывается на его способности производить электричество. В очень жаркую погоду потери мощности могут составлять до 25%. В монокристаллических и поликристаллических солнечных панелях повышение температуры на каждый градус приводит к потере мощности на 0,45%. Еще одним фактором, влияющим на эффективность, является частая смена солнечной радиации. Эффективность фотопреобразователя зависит от солнечного излучения и температуры. Полезный КПД солнечных элементов определяется отношением удельной максимальной мощности, определяемой по вольт-амперной характеристике, к максимальной мощности, генерируемой солнечными лучами на поверхности элемента. Эффективность и выходная мощность фотогальванического элемента прямо пропорциональны рабочей температуре. КПД современных солнечных батарей составляет 10-15%.
Параметры фотоэлемента определены по его Вольт-Амперной характеристике, установленной в стандартных условиях (мощность солнечного излучения 1000 Вт/м2, температура фотоэлемента +25°С и угол падения солнечных лучей 45°). Для повышения КПД солнечных батарей следует обеспечить их работу в оптимальном режиме.Температура фотоэлемента оказывает негативное влияние. Для этого его рабочая температура должна быть снижена в жаркую погоду. Охлаждение солнечных панелей может осуществляться разными способами:
• Через воду;
• С экранированными крышками;
• При движении воды в алюминиевых трубах;
В настоящее время не найдено другого экономически эффективного и практичного способа, кроме способа охлаждения солнечных панелей за счет сохранения воздушного зазора в тыльной части их рамы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследованы принципы работы устройств солнечной энергетики, основные устройства и оборудование, используемые при управлении этими системами. Приведена информация о солнечных электростанциях и основных компонентах этой системы.
Определено, что в современное время работы по повышению эффективности солнечных батарей ведутся в основном по двум направлениям: более оптимальное управление параметрами солнечных панелей и создание фотопреобразователей нового поколения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Azab. M. (2010). Optimal power point tracking for stand-alone PV System using particle swarm optimization, IEEE Int Symposium on, in Industrial Electronics (ISIE), pp. 969-973.
2. Luque. A and Hegedus. S. (2003). " Handbook of Photovoltaic Scienceand Engineering" . John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England, pp.
3. Green MA, Emery K, Hishikawa Y, Warta W, Dunlop ED. Solar cell efficiency tables (Version 48). Progress in Photovoltaics: Research and Applications 2016;
4. Haney J, Burnstein A (2013) Solar America Board for Codes and Standards Report, 2013. www.solarabcs.org. Accessed Jan 2014
5. Blankenship RE, Tiede DM, Barber J, Brudvig GW, Fleming G, Ghirardi M, Gunner MR, Junge W, et al. Comparing photosynthetic and photovoltaic efficiencies and recognizing the potential for improvement. Science. 2011; 332:805-809. doi:10.1126/science. 1200165.
6. Аипов P.C. Повышение эффективности работы гелиоэнергетических установок. У.: УУВШ, 2007.
7. К.М. Абдуллаев, Ю.И. Латифов, Г.К. Абдуллаева, «Энергетические ресурсы, производство электроэнергии и окружающая среда», Баку, «Заман-З», 2005 г., 448 стр.
8. М.Ф. Джалилов, «Альтернативные регенеративные энергетические системы», утвержденный приказом Министерства образования Азербайджанской Республики .№1261 от 18 ноября 2008 года, Баку 2009Безруких П.П. Возобновляемая энергетика основа устойчивого развития. СПБ.: ФРТУ, 2007
9. Воронин С.М. Автономная система электроснабжения на основе солнечной электростанции. Б.Журнал 2007.
10. Охоткин Г.П., Методика расчета мощности солнечных электростанций/ М.:Энергия 2013.
11. Иванчура В.И., Чубарь А.В., Пост С.С. Энергетические модели элементов автономных систем электропитания. М.:Журнал СФУ, 2012.
Babaev F.B.
Azerbaijan State University of Oil and Industry, (Baku, Azerbaijan)
CHARACTERISTICS OF THE USE OF SOLAR ENERGY
Abstract: In the modern world, solar energy has become more widely used as a source of renewable energy. This is due to the fact that solar energy is available, inexhaustible and environmentally friendly. The article discusses the technology of converting sunlight into electricity, the advantages and disadvantages of using solar energy.
Keywords: solar energy, panels, station, solar batteries, photoelectric effect.
