Термоэлектрические генераторы

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 3 и 4 .

Рис.3. Схема автономной солнечной электростанции

Рис.4. Схема солнечной электростанции объединенной с промышленной электросетью

3.2 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.

3.3 АККУМУЛЯТОРНЫЕ 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 1-12000 А*ч, что позволяет удовлетворять требованиям всех потребителей. Эти аккумуляторы отличаются пониженным газовыделением 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 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.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.

3.4 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).

3.5 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 три типа в соответствии с типом фотоэлектрических систем:

а)Сетевые инверторы

1)Солнечные модули

2) Инвертор/Контроллер заряда

3) Сеть

4) Нагрузка постоянного или переменного тока (при использовании инвертора)

Сетевой (grid-tie, on-grid) инвертор предназначен для солнечных ФЭС, подающих электроэнергию в основную сеть (например, внутреннюю сеть предприятия или внешнюю сеть энергоснабжающей организации). Идеально подходят для продажи электроэнергии в сеть или компенсации части энергозатрат в дневное время. Отличительная особенность - наличие синхронизации с основной сетью. В случае исчезновения напряжения в сети инвертор в целях безопасности отключит подачу электроэнергии. По сравнению с автономными и гибридными сетевые инверторы дешевле и проще в устройстве.

б)Автономные инверторы

1)Солнечные модули

2)Инвертор/Контроллер заряда

3)Блок АКБ

4)Нагрузка постоянного или переменного тока (при использовании инвертора)

Автономный (off-grid, задающий) инвертор предназначен для солнечных ФЭС, действующих в рамках автономных энергонезависимой системы (например, автономное питание жилого дома). Такой инвертор не нуждается во внешней сети, а самостоятельно задает её параметры. Зачастую, в его составе сразу предусмотрен контроллер заряда аккумуляторных батарей, чтобы выработанную днём электроэнергию запасать и отдавать потребителю, когда солнца нет. Так же возможно наличие дополнительных входов под дополнительные источник электроэнергии (например, дизель-генератор, ветрогенератор) с функцией программируемого взаимодействия с ними: включение и отключение по необходимости, совместное использование. Автономные инвертора имеют более сложную структуру и, поэтому, имеют более высокую стоимость по сравнению с сетевыми. Так же наличие аккумуляторов значительно удорожает системы автономного питания. Как правило, вопрос окупаемости таких систем не стоит, т.к. их основная цель - энергонезависимость (автономность), а не окупаемость вложений по сравнению с подключением к основной сети.

в)Гибридные инверторы

1)Солнечные модули

2)Инвертор/Контроллер заряда

3)Блок АКБ

4)Сеть

5)Нагрузка переменного тока

Гибридный инвертор - инвертор, который для питания нагрузки может использовать как основную сеть, так и энергию аккумуляторов, заряжаемых от альтернативного источника. Контроллер заряда может быть как встроенный, так и внешний. По уровню и функциональности гибридные инвертора можно условно разделить на три группы. Выходной каскад у всех 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:

* 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).

Литература

1. Иоффе А. Ф., Стильбанс Л. С., Иорданишвили Е. К., Ставицкая Т. С. Термоэлектрическое охлаждение. М.-Л.: Изд. АН СССР, 1956.

2. Бурштейн А. И. Физические основы расчета полупроводниковых термоэлектрических устройств. М.: Физматгиз, 1962.

3. Голдсмит Г. Применения термоэлектричества / Пер. с англ. под ред. А. Ф. Чудновского. М.: Физматгиз, 1963.

4. Кораблев В. А., Тахистов Ф. Ю., Шарков А. В. Прикладная физика. Термоэлектрические модули и устройства на их основе: Учебное пособие / Под ред. проф. А. В. Шаркова. СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2003.

5. Иоффе А. Ф. Полупроводниковые термоэлементы. М.-Л., Изд-во АН СССР, 1956-1960.

6. Охотин А. С., Ефремов А. А., Охотин В. С., Пушкарский А. С. Термоэлектрические генераторы. М.: Атомиздат, 1971.

7. Иорданишвили Е. К. Термоэлектрические источники питания. М.: Советское радио, 1968.

8. Баукин В. Е., Вялов А. П., Гершберг И. А., Муранов Г. К., Соколов О. Г., Тахистов Ф. Ю. Оптимизация термоэлектрических генераторов большой мощности // Термоэлектрики и их применения. Доклады VIII Межгосударственного семинара (ноябрь 2002 г.). СПб: ФТИ, 2002.

9. Тахистов Ф. Ю., Гершберг И. А. Оптимизация параметров термоэлектрического генераторного модуля с учетом эффективности теплообмена на сторонах модуля // Термоэлектрики и их применения. Доклады XI Межгосударственного семинара. СПб: ФТИ, 2008.

10. Ерофеев Р. С. Влияние термоэлектрических явлений на тектонические процессы и климат Земли // Термоэлектричество. 2010. № 1.

11. Шостаковский П. Современные решения термоэлектрического охлаждения для радиоэлектронной, медицинской, промышленной и бытовой техники // Компоненты и технологии. 2009. № 12. 2010. № 1.

12. Васильев А.М., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Сов. радио, 1971.

13. Алферов Ж.И. Фотоэлектрическая солнечная энергетика / В сб.: Будущее науки. М.: Знание, 1978. С. 92 - 101.

14. Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов. М.: Наука, 1985.

15. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989.

16. Колтун М.М. Солнечные элементы. М.: Наука, 1987.

 17. Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984. 

Размещено на Allbest.ru