CC BY
88
УДК 621.331
ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГИИ
А. Ю. Тычков1, К. А. Каткова2
1 2Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1tychkov-a@mail.ru 2lasinsckaite@yandex.ru
Аннотация. Объектом исследования являются системы обеспечения альтернативной энергии на примере солнечных панелей. Предметом исследования является изучение свойств известных и ранее разработанных солнечных панелей, достоинств и недостатков с точки зрения использования в различных отраслях науки и техники. Цель работы - провести аналитический литературный обзор и анализ известных систем обеспечения солнечной энергии, представить наиболее перспективные решения в различных технологических задачах. В качестве материалов исследования использовался поисковый метод научных и научно-популярных работ в лицензированных российских и зарубежных базах E-library и Scopus по ключевым словам: alternative energy, solar energy, solar panels. Представлены исследования работы солнечных панелей и применение их в различных сферах деятельности. Рассмотрены современные фотоэлектрические устройства, особенности их подключения и применения. Системы обеспечения солнечной энергии на современном этапе развития являются одним из основных способов обеспечения энергии, с помощью которых значительно повышается эффективность работы техники в различных сферах деятельности.
Ключевые слова: альтернативные источники энергии, солнечная энергетика, солнечные панели
Для цитирования: Тычков А. Ю., Каткова К. А. Технологии проектирования систем обеспечения альтернативной энергии // Вестник Пензенского государственного университета. 2021. № 2. С. 93-101.
Введение
Альтернативная энергетика (АЭ) является перспективным способом генерации «зеленой энергии» и обладает преимуществами по сравнению с традиционными методами.
По данным [1] за 2014-2020 гг. объем выработки ресурсов на основе возобновляемых источников энергии многократно увеличился. По тем же прогнозам, к 2035 г. в России будет производиться до 25 млрд кВт/ч «зеленой» энергии ежегодно. «Зеленая» энергетика - часть энергопроизводящей системы, использующая возобновляемые источники энергии [2].
В настоящее время различают следующие виды АЭ:
-ветроэнергетика;
- солнечная, или гелиоэнергетика;
- приливная энергетика;
- геотермальная энергетика;
- водородная энергетика;
- ядерная энергетика.
Рассмотрим некоторые технологии получения АЭ подробнее.
Ветроэнергетика. Отрасль энергетики, связанная с разработкой методов и средств преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую. Лидером среди стран, которые обладают ветроэлектростанциями, является Китай. Общая установ-
© Тычков А. Ю., Каткова К. А., 2021.
ленная мощность ветроэлектростанций в мире в 2020 г. оценивается в 500 ГВт, а доля Китая составляет 80 ГВт [3]. Ветроэнергетика используется преимущественно в сельской местности, где доступ к основным источникам энергии ограничен. Основные ветровые зоны России - южные степи, морские побережья и отдельные зоны (Алтай, Карелия, Байкал).
Гелиоэнергетика. Солнечная энергетика основана на преобразовании солнечного излучения в электрическую энергию. Является экологически чистым видом, не выделяет вредных отходов. Передовым двигателем технологий строительства солнечных электростанций является Индия. Солнечная электростанция Acme Solar Holdings способна генерировать 200 МВт электричества [4].
В России целесообразно применение солнечных электростанций не только в южных регионах, но и в некоторых районах Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока [5]. Солнечная энергия безопасна в экологическом плане и достаточно практична, люди все больше начинают задумываться о перспективах использования этого источника энергии, что сказывается на объеме продаж солнечных панелей, который каждый год увеличивается на 10-15 % [6]. С ростом востребованности данного вида энергетики будут устраняться главные недостатки - количество солнечного излучения, дошедшего до поверхности Земли, и стоимость оборудования.
Приливная энергетика. Приливная энергетика основана на использовании сильных и постоянных морских приливов. Самая большая в мире приливная электростанция построена в Шотландии, мощность которой составляет 2 МВт [7]. Единственная на настоящее время приливная электростанция в России расположена в Баренцевом море на губе Кислая вблизи Мурманской области.
Геотермальная энергетика. Геотермальная энергетика основана на использовании тепловой энергии недр Земли (например, гейзеров). Уровень выбросов для современных геотермальных электростанций умеренный, что меньше по сравнению с уровнем выбросов при переработке ископаемого топлива. По состоянию на 2018 г. во всем мире геотермальные электростанции вырабатывают более 14,3 ГВт энергии [8]. Лидером по геотермальной выработке является США - 3591 МВт. На втором месте Индонезия с 1948 МВт. В России насчитывается менее 10 ГеоЭС, и большинство из них расположены на полуострове Камчатка и на острове Кунашир (южный остров Большой гряды Курильских островов) на 3,6 МВт.
Водородная энергетика. В настоящее время технологии производства водорода активно развиваются. К 2030 г. в Германии, согласно национальной программе, будут построены водородные электростанции мощностью в 20 ГВт, предназначенные для производства «зеленого» водорода, основанного на базе энергии солнечных батарей, при сжигании которого не образуется углекислый газ. Он будет превосходить по ресурсоза-тратности и безопасности «голубой» водород, который получают из воды на базе невоз-обновляемых источников электроэнергии [9].
В России в 2019 г. был испытан первый «водородный трамвай», выработку энергии в котором осуществляет электрохимический генератор с использованием водорода [10].
Ядерная энергетика. Около 17 % производства электроэнергии в мире принадлежит атомным электростанциям. Лидером в области атомной энергетики в мире является Франция, которая использует 58 энергоблоков, производящих около 75 % всей атомной энергии мира [11]. В России на данный момент существует 10 действующих атомных электростанций [12]. Перспективным направлением развития атомной энергии является создание технологии на быстрых нейтронах [13].
Основы солнечной энергетики
Солнечная, или гелиоэнергетика, является самым доступным, неисчерпаемым и экологически безопасным источником энергии. Данный вид АЭ представляет собой один
из самых перспективных видов возобновляемой энергетики, основанный на преобразовании солнечного излучения [14]. Солнце генерирует более 410 000 000 000 000 ТВт энергии в день, из которых только 20 ТВт в день способно потреблять человечество земли [15].
Системы, поглощающие солнечные лучи, делятся на два типа:
1. Фотоэлектрические (солнечные фотоэлектрические преобразователи, или солнечные батареи) - системы, преобразующие солнечное излучение в электрическую энергию (рис. 1);
2. Фототермические (солнечные коллекторы) - системы, преобразующие энергию Солнца в тепловую энергию путем нагрева материала - теплоносителя (рис. 2).
Рис. 1. Схема фотоэлектрической системы
Рис. 2. Схема фототермической системы
В первом случае солнечное излучение попадает на фотоэлемент, который состоит из двух пластинок кремния разной проводимости. При падении солнечных лучей на фотоэлемент в нем генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и дырки частично переносятся через р-л-переход из одного слоя полупроводника в другой (рис. 3). В итоге образуется фотоЭДС, в результате чего возникает разность потенциалов и ток электронов, и во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте р-слоя формируется положительный полюс источника тока, а на контакте л-слоя - отрицательный. Верхняя пластинка, обращенная к Солнцу, изготовляется из кремния с добавлением фосфора. Фосфор служит источником избыточных электронов в системе р-л-перехода [16].
поток "дырок Рис. 3. Пояснение работы солнечной панели
Различают несколько типов солнечных элементов относительно организации атомов кремния в кристалле [16]:
1. Аморфный - позволяет создать гибкую нехрупкую солнечную панель. Основным материалом служит кремниеводород, который наносится на подложку. Производство таких батарей является полностью безотходным. На данный момент существуют три поколения солнечных элементов на основе кремния:
- первое поколение (один р-л-переход). Имеют низкий КПД (до 4 %) и непродолжительный срок службы (до 10 лет);
- второе поколение. Однопереходные батареи с более высоким КПД (до 8 %);
- третье поколение. Тонкопленочные солнечные элементы с КПД до 12 %.
2. Монокристаллический. Для данного типа применяют кристаллы кремния высокой степени очистки, которые выращиваются искусственно, вследствие чего КПД возрастает до 20 %. Высокая эффективность обусловлена определенным строением монокристаллических атомов, за счет чего повышается подвижность электронов [17].
3. Поликристаллический. Поликристаллы, КПД которых составляет 12-18 %, получают в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Они также отличаются формой и ориентацией агрегатных кристаллов [17].
Внешнее отличие фотоэлементов с поли- и монокристаллами заключается в том, что поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму. Монокристаллические фотоэлектрические преобразователи выполняются в виде квадратов со срезанными углами [16].
Эффективность солнечной фотоэлектрической системы зависит от количества падающего солнечного света на поверхность фотоэлектрической панели. Если количество поступающего солнечного света увеличивается, то эффективность фотоэлектрической системы также увеличивается. Частицы пыли на поверхности панели создают барьер на пути солнечного света, падающего на поверхность панели, что ухудшает характеристики фотоэлектрической панели и из-за скопления пыли уменьшаются выходные результирующие ток и напряжение [18].
Проблема малого количества солнечного света решается повышением КПД солнечных панелей. Для этого проводятся поиски новых технологий создания фотоэлектрических элементов. Для обычных панелей повышение КПД достигается путем применения различных систем автоматического управления, которые позволяют отслеживать положение Солнца, поворачивая фотоэлектрический модуль в оптимальное положение, при котором будет достигаться максимально возможная энергетическая эффективность.
Схемотехническое соединение солнечных панелей
Известны три основных варианта соединения солнечных панелей, которые служат для увеличения выходных параметров (напряжение, ток), - последовательная, параллельная, смешанная (последовательно-параллельная) схемы [19].
Выбор оптимальной схемы подключения позволит добиться улучшения энергоэффективности солнечных панелей и повышения КПД.
Последовательная схема подключения подразумевает под собой соединение положительной клеммы первой панели с отрицательной клеммой последующей. Оставшиеся незадействованные клеммы «+» и «-» будут подключаться к расположенному далее контроллеру (рис. 4,а).
и ...ч»
V -Т -V -т ^Т=Т
а)
г
Контроллер
Л V * Л V 9 V -Т
у
б)
Контроллер
Груг 1ПЛ 1 Г га га: 2
гу-^
в)
Контроллер
Рис. 4. Схемы подключения солнечных панелей: а - последовательная, б - параллельная, в - смешанная
Последовательная схема подключения позволяет суммировать генерируемые напряжения нескольких панелей, что приводит к увеличению выходного итогового напряжения [19]. При этом номинальный ток панелей будет постоянным, а при подключении панелей с разными значениями номинальных токов, результирующим будет самый минимальный из них.
При параллельном подключении соединяются вместе все положительные клеммы и подключаются к контроллеру, по такому же принципу подключаются и отрицательные клеммы (рис. 4,б).
В отличие от последовательного подключения, номинальные напряжения панелей не суммируются, и выходное результирующее напряжение системы будет равно наименьшему номинальному напряжению одной из подключенных панелей. Однако выходной результирующий ток будет являться суммой всех номинальных токов панелей, вхо-
дящих в данную систему. Плюс данного способа соединения в том, что выход из строя одной из панелей не приведет к прекращению работы всей цепочки, что значительно повышает надежность работы системы в целом [19].
Смешанный тип соединения объединяет в себе предыдущие рассмотренные схемы монтажа. Реализуется это путем объединения нескольких панелей в группы с последовательным подключением, а уже собранные группы между собой соединяются параллельно (рис. 4,в.)
Результирующее выходное напряжение будет равно минимальной сумме последовательно соединенных панелей, т.е. панелей, входящих в одну группу. Результирующее значение тока является суммой токов всех групп, соединенных параллельно, однако значения токов групп будут определяться минимальным номинальным током входящей в группу панели. Так же, как и при параллельном подключении, выведение из строя одной панели влияет только на группу последовательно соединенных с ней панелей, но при этом не оказывает колоссального влияния на всю систему в целом [19].
Из данного обзора различных схемотехнических соединений солнечных панелей можно сделать вывод, что самым оптимальным подключением для большого объема панелей будет смешанное, так как при выводе из строя одной из панелей система останется в работоспособном состоянии. При этом возможно повышение результирующего значения выходного напряжения путем повышения номинальных напряжений панелей, находящихся в одной группе, что, в свою очередь, позволит контролировать результирующее значение выходного тока.
Практическое применение солнечной энергетики
Солнечная энергетика нашла широкое применение в различных областях науки и техники, высокотехнологичных производств и объектах двойного назначения. Один из наиболее популярных вариантов размещения солнечных панелей - на крышах домов. Во Франции солнечными панелями вымостили участок дороги длиной в километр. Ожидается, что дорога сможет выработать энергию, достаточную для подпитки уличных осветительных приборов во всем поселении [20].
В Вооруженных силах США солнечные модели получили широкое распространение при развертывании временных военных лагерей с палатками и тентами из гибких солнечных панелей [21].
В мире активно растет количество морских судов, использующих солнечные батареи. Области применения солнечных батарей затрагивают не только прогулочные суда, но и коммерческие, промышленные, военные и даже исследовательские рынки [22]. В случае с пассажирскими паромами применяются солнечные паруса. Они представляют собой крылья с возможностью вращения в двух проекциях как вручную, так и гидравлически, что позволяет использовать их в режиме обычного паруса или в виде солнечных панелей [23].
В 2020 г. прошли испытания первого сверхскоростного вакуумного поезда Hyperloop с участием пассажиров. Транспортная капсула приводится в движение за счет энергии, вырабатываемой солнечными панелями, расположенными на поверхности надземного трубопровода [24].
В настоящее время самым перспективным вариантом применения солнечных панелей стала космическая индустрия.
Первые спутники с солнечными панелями были отправлены в полет еще в 1958 г. Это были Vanguard-1 (США) и «Спутник-3» (СССР). Важное условие для работы в кос-
мосе - компактность солнечных панелей, поэтому при транспортировке тонкие панели складываются гармошкой [25].
На 2017 г. для электропитания космических аппаратов на основе новой тяжелой спутниковой платформы высокой мощности налажено производство батарей площадью более 100 м2. До тех пор на отечественных телекоммуникационных космических аппаратах использовались панели размером 88 м2. Основой для развития стал российский аппарат платформы «Экспресс-2000», нововведением которого являются увеличенные «крылья» - солнечные батареи площадью 112 м2 с КПД на уровне 28-30 % [26], что позволяет увеличить мощность спутников и ретрансляторов и уменьшить размеры переносных спутниковых терминалов. Облегченные модули связи позволят эффективно управлять и корректировать направление беспилотных летальных аппаратов за счет обмена данными через спутники. Увеличенная мощность позволяет передавать больше данных или установить более стабильный канал связи, уменьшить размеры принимающего оборудования на Земле.
Наибольший интерес вызывает проектирование космических солнечных электростанций, передающих энергию на Землю беспроводным способом. Исследователи из Китая разработали орбитальную систему под названием Omega, которую планируют ввести в эксплуатацию к 2050 г. Данная система должна быть способна передавать более 2 ГВт энергии с орбиты на Землю с максимальным КПД [27].
В настоящее время сложность выведения больших конструкций электростанций будет решаться путем их разбиения на группы спутников небольших размеров. В будущем запуск стандартных спутников будет происходить обычным способом, после чего они будут подключаться между собой в космосе, образуя единую солнечную электростанцию. Так же будет проводиться разработка развертываемых фотоэлектрических конструкций, встроенных в солнечный парус. Рой фотоэлектрических солнечных парусов может быть сконфигурирован в космосе для обеспечения крупномасштабного и универсального производства энергии на электростанции [28].
Производство и хранение энергии за пределами планеты позволит решить проблему изменения климата, а также повысить количество производимой энергии за счет оптимального расположения электростанций на земной орбите.
Список литературы
1. Альтернативная энергетика в России // TADVISER. Государство. Бизнес. ИТ. 2020. URL: https://www.tadviser.ru
2. Лебедев Ю. В., Лебедева Т. А. Зеленая энергетика: состояние и ожидания // Российские регионы в фокусе перемен : сб. докладов XII Междунар. конф. (Екатеринбург, 16-18 ноября 2017 г.). Екатеринбург : Изд-во УМЦ УПИ, 2018. Ч. 2. С. 367.
3. Развитые страны-лидеры по установленной мощности ветровых электростанций // Эко-технологии строительства «Энерго.Хаус». 2021. URL: https://energo.house
4. Невельский А. Солнечная энергия уже может конкурировать с углем // Ведомости. 2020. URL: https://www.vedomosti.ru
5. Митина Н. Н., Крамарова Е. М., Дадаев С. С. Преимущественные виды альтернативных источников энергии в арктическом регионе России // Neftegaz.RU. 2020. № 3, 5. URL: https:// magazine.neftegaz.ru
6. Прокушева В. С., Хорохордин А. В. Адаптивная система управления промышленными солнечными батареями // Автоматизация технологических объектов и процессов : сб. науч. тр. XIII Междунар. науч.-техн. конф. аспирантов и студентов. Донецк : Донецкий национальный техн. ун-т, 2013. С. 275.
7. Крупнейшая приливная электростанция строится в Шотландии // Eenergy Media. URL: https://eenergy.media
8. Геотермальная энергетика: как тепло Земли превратили в эффективный энергоресурс // Habr. URL: https://habr.com
9. Толкачев В. Водородная энергетика: что это такое и почему за ней будущее // National Geographic. Россия. 2021. URL: https://nat-geo.ru
10. Водородная энергетика России и Европы: перспективы рынка // РБК Тренды. 2021. URL: https://trends.rbc.ru
11. Атомная энергетика в мире // Атомэнергомаш. Росатом. URL: https://aem-group.ru
12. Официальный сайт Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом». URL: http://www.rosatom.ru
13. Копкова Е. С., Иманова Х. Г. Атомная энергетика России: современное состояние, проблемы и перспективы развития отрасли в условиях цифровой экономики // Проблемы региональной экономики. 2018. № 42. С. 3.
14. Шалухин В. Д. Краткий обзор состояния разработок и внедрения солнечных батарей в России // Научно-образовательный потенциал молодежи в решении актуальных проблем XXI века. 2017. № 7. С. 278.
15. Энергетический баланс солнечной энергии на Земле // Источники энергии. URL: https://beelead.com
16. Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель // Совет инженера. URL: https://sovet-ingenera.com
17. Нагаев Д. А. Обзор современных солнечных панелей // Вестник современных исследований. 2018. № 21. С. 530.
18. Abhishek K. T., Aruna M., Murthy Ch. S. N. Output Power Loss of Photovoltaic Panel Due to Dust and Temperature // International Journal of Renewable Energy Research. 2017. № 7. Р. 439.
19. Рублева Е. С., Гоненко Т. В. Автоматизированные системы электроснабжения с использованием альтернативных источников энергии // Материалы X Междунар. науч.-техн. интернет-конф. молодых ученых. Омск : Омский гос. техн. ун-т. 2020. С. 10.
20. Официальный сайт «Bloomberg» Solar-Panel Roads to Be Built on Four Continents Next Year. URL: https://www.bloomberg.com
21. Тычков А. Ю., Исаев С. Д., Иванов Н. С. [и др.]. Альтернативная энергетика на объектах военного назначения: литературный обзор // Вестник Пензенского государственного университета. 2020. № 4. С. 101-106.
22. Пичугин Д. Д., Чабанов Е. А. Использование солнечных батарей в качестве альтернативного источника энергии на водном транспорте // Транспорт: проблемы, цели, перспективы (TRANSPORT 2020) : материалы Всерос. науч.-техн. конф. Пермь : Пермский филиал Волжского гос. ун-та водного транспорта, 2020. С. 220.
23. Солнечная энергетика выходит в море // Rentechno. URL: https://rentechno.ua
24. Официальный сайт «Virgin Нурег^р». First Passengers Travel Safely on a Hyperloop. URL: https://virginhyperloop.com
25. Энергетика в космосе. Как заряжают корабли и спутники // N+1. URL: https:// nplus1.ru
26. Новые спутники получат рекордные «солнечные крылья» // МИЦ «Известия». URL: https://iz.ru
27. Yang Yang, Yiqun Zhang, Baoyan Duan [et al.]. A novel design project for space solar power station (SSPS-OMEGA) // Acta Astronautica. 2016. № 121. P. 51.
28. Soldini St., Hughes A. Additive Manufacturing of large-scale Space Solar Power stations: a swarm of origami photovoltaic solar sail devices // Esa. URL: https://ideas.esa.int
Информация об авторах
Тычков Александр Юрьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Радиотехника и радиоэлектронные системы», заместитель директора Научно-исследовательского института фундаментальных и прикладных исследований, Пензенский государственный университет.
Каткова Карина Альбертовна, студентка, Пензенский государственный университет. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
