Филь Е А Совершенствование существующих методов отбора мощности от батареи фотоэлектрических преобразователей Автореферат
ДонНТУ | Магистры ДонНТУ

Автобиография | Автореферат магистерской работы | Отчет о поиске в сети Internet | ССЫЛКИ | Индивидуальное задание


DE           UA

Автореферат

"Совершенствование существующих методов отбора мощности от батареи фотоэлектрических преобразователей"

Руководитель : к.т.н., доц. Левшов А. В.

     В настоящее время активно внедряются новые экологически чистые источники энергии. Переход на альтернативные источники энергии начался еще в 1990 году и по прогнозам ученых продлиться до 2010 года. Особенность этого этапа заключается в его экологической направленности – уменьшение загрязнения окружающей среды, существенное сокращение выброса в атмосферу углекислого и сернистых газов. Как известно, экологическая обстановка на планете стоит под угрозой, поэтому в течение некоторого времени человечество должно внедрить в повседневную жизнь возобновляемые экологически чистые источники энергии, прежде всего, такие как ветроэнергетика и гелиоэнергетика, тем самым, предотвратив увеличение риска гибели биосферы планеты. В противном случае грядущие экологические катастрофы поставят под угрозу возможность дальнейшего существования жизни на нашей планете [1].
     Уже сегодня можно сказать, что солнечная энергия является серьезной альтернативой традиционной энергетике. Обосновать актуальность применения солнечной энергетики можно, например, с помощью анализа экономических показателей. В первую очередь нужно отметить, что действовавшие в Украине цены на топливо и энергию за последние 50 лет не отражали реальные затраты на их производство, а до настоящего времени ни в одной стране мира существенная часть стоимости производства энергии не отражается в тарифах на энергию, а распределяется на затраты всего общества. Другая составляющая стоимости энергии, которая распределяется на все общество и не включается в тарифы за энергию, связана с загрязнением окружающей среды энергетическими установками [1,2]. Также на сегодняшний день существует большая неопределенность в оценке реальной стоимости электроэнергии, получаемой от атомных электростанций. Можно утверждать, что реальные цены в атомной энергетике будут определены только после того, как будут решены вопросы безопасности АЭС, ядерных технологий по получению топлива, захоронения отходов и когда будут разработаны принципы обращения с оборудованием, зданиями и сооружениями АЭС, выводимыми из эксплуатации через тридцать лет работы. По оценкам экспертов эти цены будут намного выше существующих. Оценки прямых социальных затрат, связанных с вредным воздействием электростанций, включая болезни и снижение продолжительности жизни людей, оплату медицинского обслуживания, потери на производстве, снижение урожая, восстановление лесов и ремонт зданий в результате загрязнения воздуха, воды и почвы дают величину, добавляющую около 75% мировых цен на топливо и энергию [3]. По существу, это затраты всего общества - экологический налог, который платят граждане за несовершенство энергетических установок, и этот налог должен быть включен в стоимость энергии для формирования государственного фонда энергосбережения и создание новых экологически чистых технологий в энергетике.
     Поэтому, если учесть эти скрытые сейчас затраты в тарифах на энергию, то большинство новых технологий в сфере солнечной энергетики становится вполне конкурентноспособными с существующими технологиями. Одновременно появится источник финансирования новых проектов по экологически чистой энергетике. Именно такой "экологический" налог в размере от 10 до 30% от стоимости нефти введен в Швеции, Финляндии, Нидерландах и, возможно в скором времени будет введен в странах ЕЭС [1]. Было бы правильным решением правительству Украины изучить и использовать этот опыт при подготовке закона об энергосбережении.
     В силу рассмотренной актуальности использования солнечной энергии, целью работы является совершенствование методов отбора мощности от фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), а также разработка способа отбора мощности от ФЭП с учетом надежности работы установки солнечных преобразователей.
     Наиболее важными задачами данной работы являются:
     - детальное изучение физических процессов, протекающих в фотопреобразователе;
     - рассмотрение и анализ уже существующих методов отбора мощности от батареи ФЭП;
     - проведение экспериментальных исследований на действующей солнечной установке (СЭС – СА1 – 250) с использованием цифрового многоканального регистратора «Рекон»;
     - разработка способа отбора мощности от батареи ФЭП;
     - создание математической модели для исследования разработанного метода.
     Данная работа предполагает использование знаний о методах отбора мощности от батареи ФЭП для создания нового метода отбора с учетом надежности работы батареи ФЭП.
     Известно, что для увеличения выходного напряжения и преобразуемой мощности применяют последовательное и параллельное соединение солнечных элементов. Но такое соединение не имеет надежного режима работы. При повреждении одного из параллельно соединенных ФЭП, остальные оказываются закороченными нерабочим элементом. А при обрыве цепи или, например, затенении последовательно соединенных элементов – вся установка становится разомкнутой. Поэтому появляется необходимость в поиске безаварийного, надежного режима работы системы ФЭП.
     В работе были рассмотрены и проанализированы уже существующие способы отбора мощности. В результате исследований был предложен, а затем запатентирован уникальный способ отбора, исключающий недостатки предшествующих методов, увеличивающий надежность работы установки ФЭП при отборе мощности.
     Способ отбора электрической энергии от солнечной батареи, которая включает преобразование солнечной энергии в электрическую, накопление ее в электрическом конденсаторе и передачу потребителю порциями, соответственно полезной модели энергию каждого элемента солнечной батареи накапливают в электрическом конденсаторе каждого элемента солнечной батареи, подключают конденсатор каждого элемента солнечной батареи к индуктивности на время, пока вся энергия конденсатора каждого элемента солнечной батареи перейдет в энергию магнитного поля индуктивности и напряжение на этом конденсаторе станет равняться нулю. Потом индуктивность подключают к конденсатору-коллектору на время, пока вся энергия магнитного поля индуктивности перейдет в конденсатор-коллектор и ток в индуктивности станет равняться нулю. Эту операцию перемещения энергии из конденсатора в индуктивность и из индуктивности в конденсатор-коллектор повторяют последовательно для каждого конденсатора каждого элемента солнечной батареи, а энергию конденсатора-коллектора передают с помощью инвертора в сеть переменного тока [20]
     Указанный способ реализуется устройством, упрощенно приведенным на рисунке 1.

Рисунок 1 – Упрощенная электрическая схема работы ФЭП с учетом надежности отбора мощности


     Устройство содержит солнечную батарею 1, которая состоит из солнечных элементов 2, любой из которых превращает солнечную энергию в электрический ток, конденсаторы 3, любой из которых подключенный до одного солнечного элемента 2, коммутатор 4, который подключает к каждому из солнечных элементов 2 индуктивность 5, ключ 6, который подключает индуктивность 5 к конденсатору-коллектору 7, инвертор 8, который преобразует постоянное напряжение конденсатора-коллектора 7 в переменное напряжение сети - потребителя энергии 9.
     Таким образом, надежность описанного способа отбора энергии выше, чем у существующих способов, так как при наличии в батарее элемента, который имеет неисправность в виде обрыва или короткого замыкания, отбор энергии от батареи не нарушается (за исключением неисправного элемента).
     Существует широко распространенное мнение, что солнечная энергия является экзотической и ее практическое использование - дело отдаленного будущего. К сожалению, такое пессимистическое мнение действительно существует. Но оно ошибочно.
     Содержание кремния в земной коре составляет 29,5% и превышает содержание алюминия в 3,35 раза [12]. В Земле содержится 15,2% кремния по массе, что соответствует фантастической массе 9,08.10 т [13]. Солнечный кремний с чистотой 99,99% стоит столько же, сколько уран для АЭС, хотя содержание кремния в земной коре превышает содержание урана в 100000 раз.
     Мировые достоверные запасы урана оцениваются в 2763000 т [14]. Причем урановый топливный цикл, включающий производство гексафторида урана, значительно сложнее и опаснее хлорсиланового способа получения солнечного кремния. Учитывая рассеянность и малое содержание урана в земной коре по сравнению с кремнием, трудно понять, почему урановое топливо для ядерных реакторов и кремний для солнечных электростанций имеют одинаковую стоимость. Существуют несколько причин, объясняющих такую ситуацию. Одной из них (наиболее весомой) является тот факт, что в развитие технологии и производства урана вложены миллиардные средства, которые выделялись, в основном, по военным программам и объемы производства урана в 6 раз превышают объемы производства солнечного кремния.
     Важно заметить, что хлорсилановая технология производства солнечного кремния, разработанная еще около 40 лет назад, до настоящего времени практически не изменилась, сохранив все отрицательные черты химических технологий 50-х годов: высокая энергоемкость, низкий выход кремния, экологическая опасность [15]. Основным материалом для производства кремния является кремнезем в виде кварцита или кварцевого песка. Он составляет 12% от массы литосферы. Большая энергия связи Si-0 - 464 кДж/моль обуславливает большие затраты энергии на реакцию восстановления кремния и последующую его очистку химическими методами - 250 кВт.ч/кг, а выход кремния составляет 6-10%. К сожалению, в Украине развитие технологий очистки кремния не наблюдалось. Исторически сложилось так, что с 1970 года в СССР, Германии, Норвегии и США проводились исследования по созданию технологий получения кремния, исключающих хлорсилановый цикл [16]. И после двухлетнего цикла исследований в СССР эти работы были исключены из национальной программы, тем самым закрыв развитие в этом направлении.
     Но уже в 1974 году фирма "Симменс" (Германия) [17] и в 1985 году фирма "Элкем" (Норвегия), совместно с компаниями США "Дау Корнинг" и "Эксон" [18] разработали технологию получения солнечного кремния карботермическим восстановлением особо чистых кварцитов с КПД солнечных элементов 10,8-11,8%.
     В 1990 году КПД элементов из солнечного кремния составил 14,2% по сравнению с 14,7% из хлорсиланового кремния [19]. Технология "Симменс" предусматривала использование особо чистых кварцитов с содержанием примесей 20.10 по массе. Исследованиями фирмой "Симменс" показано, что качество кварцитов одно из самых высоких в мире, а имеющиеся запасы достаточны для изготовления солнечных фотоэлектрических станций мощностью более 1000 ГВт.
     Учитывая, что 1 кг кремния в солнечном элементе вырабатывает за 30 лет 300 МВт.ч электроэнергии, легко подсчитать нефтяной эквивалент кремния. Прямой пересчет электроэнергии 300 МВт.ч с учетом теплоты сгорания нефти 43,7 МДж/кг дает 25 т нефти на 1 кг кремния. Если принять КПД ТЭС, работающей на мазуте, 33%, то 1 кг кремния по вырабатываемой электроэнергии эквивалентен примерно 75 тоннам нефти. В связи с высокой надежностью срок службы СЭС по основной компоненте - кремнию и солнечным элементам может быть увеличен до 50-100 лет. КПД 25-30% будет достигнут в производстве в ближайшие 10-20 лет. В случае замены солнечных элементов кремний может быть использован повторно и количество циклов его использования не имеет ограничений во времени.
     Проводимые исследования по всему миру также дали свой результат. Были созданы арсенид-галлиевые солнечные батареи (СБ). Гетероструктурные СБ имеют более высокий КПД , чем кремниевые и германиевые, монокристаллические и особенно - аморфного кремния. КПД гетероструктурных ( например, арсенид-галлиевых) солнечных батарей доходит до 35-40 %. Их максимальная рабочая температура - до +150oС, в отличии от + 70oС - у кремниевых батарей, что увеличивает возможности концентрирования света на ГФП GaAs. Но, как этого и следовало ожидать, арсенид-галлиевые СБ значительно дороже кремниевых. В качестве наиболее вероятных материалов для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СЭС в настоящее время рассматривается кремний и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.
     Именно такое развитие технологий получения фотоэлементов дало толчок к созданию и внедрению солнечных элементов для получения экологически чистой энергии.
     На сегодняшний день уже создано большое количество фотоэлектрических установок. Исследования фотоэлементов продолжаются и расширяются, ведь как известно, технологии очистки кремния и других материалов требуют достаточного финансирования, то есть дороговизна фотоэлементов является на сегодняшний день негативным фактором, придающим инерционность развитию солнечной энергетики.
     Но, несмотря на технологические и финансовые трудности, применение фотоэлектрических преобразователей расширяется.
     Одной из наиболее перспективных технологий солнечной энергетики на сегодняшний день является создание фотоэлектрических станций с солнечными элементами на основе кремния, которые преобразуют в электрическую энергию прямую и рассеянную составляющие солнечной радиации с КПД 12-15%. Лабораторные образцы имеют КПД 23% [9]. Мировое производство солнечных элементов уже превышает 50 МВт в год и увеличивается ежегодно на 30%!
     Современный уровень производства солнечных элементов соответствует начальной фазе их использования для освещения, подъема воды , телекоммуникационных станций, питания бытовых приборов в отдельных районах и в транспортных средствах. Стоимость солнечных элементов составляет 2,5-3 долл/Вт при стоимости электроэнергии 0,25-0,56 долл/кВт.ч. Солнечные энергосистемы заменяют керосиновые лампы, свечи, сухие элементы и аккумуляторы, а при значительном удалении от энергосистемы и малой мощности нагрузки - дизельные электрогенераторы и линии электропередач [10,11].
     В США, например, уже существует несколько экспериментальных фотоэлектрических станций мощностью от 0,3 МВт до 6,5 МВт, работающих на энергосистему. Поскольку удельная стоимость СЭС не зависит от ее размеров и мощности, в ряде случаев целесообразно модульное размещение СЭС на крыше дома, коттеджа, фермы. К тому же собственник СЭС сможет продавать электроэнергию энергосистеме в дневное время и покупать ее у энергетической компании по другому счетчику в ночные часы. Преимуществом такого использования, помимо политики поощрения малых и независимых производителей энергии, является экономия на опорных конструкциях и площади земли, а также совмещение функции крыши и источника энергии. Подсчеты показывают, что при модульном размещении СЭС 1 млн.кВт способна обеспечить электроэнергией 500000 домов и коттеджей.
     Такие энергосберегающие технологии для домов являются наиболее приемлемыми по экономической эффективности их использования. Их применение позволит снизить энергопотребление в домах до 60% [4]. В качестве примера успешного применения этих технологий можно отметить проект "2000 солнечных крыш" в Германии [5], а также уникальный проект солнечной электростанции. Голландская промышленная корпорация "Shell Solar" совместно с немецкой фирмой "GEOSOL" построила солнечную электростанцию в окрестностях Лейпцига. Проектная мощность этого энергетического комплекса, в состав которого вошли тридцать три с половиной тысячи фотоэлектрических модулей, равна пяти тысячам киловатт. Эта гигантская электростанция занимает площадь, равную 20 футбольным полям (16 га) и может обеспечить электричеством 2 тыс. домов. "Чем больше будет строиться подобных гелиоэлектростанций мощностью хотя бы в несколько мегаватт, тем быстрее будет налажено массовое производство солнечных элементов, а это, в свою очередь, сделает получаемое из солнечной энергии электричество более дешевым", - заявил на торжественной церемонии открытия объекта министр по делам охраны окружающей среды ФРГ Юрген Триттин [24].
     Наиболее практическое применение в мире получили гибридные солнечно-топливные электростанции с параметрами: КПД 13,9%, температурой пара 3710С , давлением пара 100 бар, стоимостью вырабатываемой электроэнергии 0,08-0,12 долл/кВт.ч. В США суммарная мощность электростанции составляет 400 МВт при стоимости 3 долл/Вт. СЭС работает в пиковом режиме при отпускной цене за 1 кВт.ч электроэнергии в энергосистеме: с 8 до 12 час.-0,066 долл. и с 12 до 18 час.- 0,353 долл.[8]. КПД СЭС может быть увеличен до 23% - среднего КПД системных электростанций, а стоимость электроэнергии снижена за счет комбинированной выработки электрической энергии и тепла. Также в США солнечные водонагреватели общей мощностью 1400 МВт установлены в 1,5 млн. домов [6].
     Солнечные электростанции могут быть использованы как для решения локальных энергетических задач, так и глобальных проблем энергетики [7]. Как известно, сегодня практически отсутствуют маневровые (пиковые) электростанции. Ввиду этого многие тепловые электростанции работают в режиме, не предусматриваемом эксплуатационные требования к оборудованию, что в свою очередь, приводит к быстрому износу оборудования и снижению надежности его работы. Рассматривая такую проблему, на сегодняшний день уже существуют (см.выше) проекты, позволяющие применять фотоэлектрические установки для покрытия пиковых нагрузок на ТЭС [21,22], а также для питания собственных нужд ТЭС, в аварийных режимах. Это направление исследований на сегодняшний день является наиболее перспективным для всей энергетики страны.
     В результате проведения работы были решены задачи совершенствования методов отбора мощности от фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), а также был разработан способа отбора мощности от ФЭП с учетом надежности работы установки солнечных преобразователей.
     В заключение можно сказать, что Украина имеет потенциальные возможности использования гелиоэнергетики. На ее территории энергия солнечной радиации за один среднегодовой световой день составляет в среднем 4 кВт*час на 1м2 ( в летние дни – до 6 – 6.5 кВт*час ) т. е. около 1,5 тысячи кВт*час за год на каждый квадратный метр. Это примерно столько же, сколько в средней Европе, где использование солнечной энергии носит самый широкий характер. Кроме благоприятных климатических условий на Украине имеются высоко квалифицированные научные кадры в области использования солнечной энергии. Все вышеизложенные факторы дают основание считать, что на Украине существуют все необходимые и достаточные условия для широкомасштабного внедрения гелиоэнергетики в промышленность и народное хозяйство[23].

Л И Т Е Р А Т У Р А

     1. Robertson G. A typical day in the life of planet earth Sun World, september 1992, vol.16, N 3, 9.
     2. Wood M., Fulop L. Environment and development: Why energy matters. Sun World, June 1992, vol.16, N 2, 24-25.
     3. Hohmeyer O. Social Cost of Energy Consumption. Springer-Verlag, New York, 1988.
     4. Anne-Grette Hestnes Advanced Solar low-energy buildings, Sun World, 1992, September, vol. 16, N 3-16.
     5. Gregury J. A Solar Rreview. Sun World, 1992, June, Vol. 16, N2, 13-18.
     6. Schar S. Entering the Solarage: a question of will. Sun World, 1991, November/Desember. Vol. 15, N 5, 2-3.
     7. Троицкий В.А. Глобальная экология и стратегия развития энергетики. Альтернативные источники энергии: эффективность и управление. 1990, N 2, 19-23.
     8. Phatabod F. Economis and strategic aspects of solar electriciti for lage scale application seminar on Solar Power Systems. Alushta. USSR, 22-26, april 1991, 1-12.
     9. Лидоренко Н.С., Евдокимов В.М., Стребков Д.С. Развитие фотоэлектрической энергетики. -М., Информэлектро, 1988, 50 стр.
     10. Ouwens C.D. Cheap Electriciti with autonoms Solar cell systems. Province of North Holland, POB 3007, 2001 D.A. Haarlem, Holland, 1-19.
     11. Suntola T. The Future of Photovoltaic Power Conncil of Europe/Commitee on Seience and Technology, Helsinki June, 1991, 1-6.
     12. Sigh R. Economic requierements for new materials for solar Photovoltaic cells, Solar Energy, 1980, Vol. 24, N 6, 589-592.
     13. The Earth crust and Upper mantle, ed. by P.J.Hart, Wash, 1969.
     14. Энергетика мира: уроки будущего. Под ред. Башмакова И.А. -М., МТЭА, 1992, 325-329.
     15. Салли И.В., Фалькевич Э.С. Производство полупроводникового кремния. -М., 1970.
     16. Базаров Б.А., Заддэ В.В., Стебков Д.С. и др. Новые способы получения кремния солнечного качества. Сб. "Солнечная фотоэлектрическая энергетика". Ашхабад, изд. Ылым, 1983, 56-59.
     17. Schulze F.W. and others. Progress on The carbotermic prodaction of Solar-Grande silicon using high-purity starting materials, IEEE, 1984, 584-587.
     18. Amick J.A., Larsen K. and oth. Improved High-Purity Arc-Furnace Silicon for Solar Cell J.Electrochem Soc, 1985, Vol. 132, N 2, 339-345.
     19. Грабмайер И.Г. " Сименс ". Дешевое изготовление качественного солнечного кремния и листового кремния для солнечных элементов. Труды 7 международной конференции по использованию солнечной энергии 9-12 октября 1990 г. Франкфурт, Германия, 1102-1110.
     20. ЧАШКО М.В., ЛЄВШОВ О.В., ФІЛЬ К.О.Спосіб відбору електричної енергії від сонячної батареї. Бюл. №11, 15.11.2005 г.
     21. Филь Е.А., Виртуальная модель солнечного энергоблока. Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації. Кременчук 2004 р. С.
     22. Филь Е.А., Виртуальная модель солнечного энергоблока. Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації. Тезисі докладов Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих вчених, "Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації" КРЕМЕНЧУК, 18 – 20 квітня 2005 р. С.110.
     23. Б.Т. Бойко, Ю.Г. Гуревич Физика фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии, Харьков, „Основа“, 1992.
     24.http://www.utro.ru/articles/2004/09/09/349256.shtml – Архив новостей науки и научных разработок газеты «Утро».


DE           UA


Автобиография | Автореферат магистерской работы | Отчет о поиске в сети Internet | ССЫЛКИ | Индивидуальное задание

ДонНТУ | Магистры ДонНТУ