Фотоэлектрические станции: перспективы, достоинства, недостатки и особенности работы

Аннотация

Анализ научно-технической литературы показал, перспективным направлением в вопросах энергосбережения и повышения эффективности электроснабжения потребителей отдалённых от внешних сетей в России, является применение солнечных фотоэлектрических станций. Уровень солнечной радиации на территории России изменяется в широких пределах от 810 кВт·ч/м² в год в отдаленных северных районах до 1400 кВт·ч/м² в год в южных районах. Раскрыты основные их достоинства и недостатки солнечных фотоэлектрических станций, а также назначение, основные характеристики, особенности выбора и работы инверторов и аккумуляторных батарей. Приведена обобщённая структурная схема трёх типов солнечных фотоэлектрических станций: автономных; резервных; работающих с сетью. Рассмотрены особенности их работы. Для повышения надёжности работы солнечных электростанций необходимо их конструировать по модульному принципу. Модульное агрегатирование необходимо также применить для автономных инверторов, где в качестве функциональных модульных элементов представить входные и выходные фильтры, силовую электронную схему и систему стабилизации напряжения и защиты. Значительно повысить показатели надёжности автономных инверторов и солнечных фотоэлектрических установок в комплексе можно за счёт применения в их конструкции однофазно-трёхфазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем. Рассмотренные в статье достоинства и недостатки, особенности работы солнечных фотоэлектрических станций позволят в перспективе разрабатывать их структурно-схемные решения с улучшенными эксплуатационнотехническими характеристиками

Общая постановка проблемы

Российская Федерация расположена между 41 и 82 градусами северной широты, где уровень солнечной радиации изменяется в широких пределах от 810 кВт·ч/м² в год в отдаленных северных районах до 1400 кВт·ч/м² в год в южных районах.

Высокий теоретический (валовый) потенциал солнечной энергии на юго-западе России (Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей) и в Южной Сибири, а также на Далеком Востоке.

По данным Института Энергетической стратегии, теоретический потенциал солнечной энергетики в РФ составляет более 2,3 млрд тонн условного топлива, а экономический потенциал 12,5 млн т. У. Т. Потенциал солнечной энергии, поступающей на территорию РФ в течение 3-х дней, превосходит энергию годового производства электроэнергии в нашей стране.

В 2008–2010 годы мир прошел пик добычи органического топлива. С этого времени добыча углеводородного сырья постепенно уменьшается (до 7 % в год). Поэтому с 2020–2025 годов нефть и газ уже не будут массово использовать как топливо, и человечество вынуждено будет переходить полностью на нетрадиционные, в том числе возобновляемые, источники энергии.

По разным прогнозам, процент обеспечения потребностей человечества к 2050 году электроэнергией от солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС) может достичь уровня 80 %.

В настоящее время Россия отстаёт от уровня генерации энергии возобновляемыми источниками от европейских стран. Доля солнечной генерации составляет менее 0,001 % в общем энергобалансе.

Таким образом, анализ научно-технической литературы показал, перспективным направлением в вопросах энергосбережения и повышения эффективности электроснабжения потребителей отдалённых от внешних сетей в России является применение СФЭС [1].

Основная часть

Наибольшее распространение получили солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ) на основе кремния трех видов: монокристаллического, поликристаллического и аморфного.

Сегодня известно, что для фотопреобразователей из монокристаллического кремния в лабораторных условиях на опытных образцах достигнут КПД 24 %. Для поликристаллического кремния эти значения равны приметно 17 %, для аморфного кремния на опытных модулях достигнуты КПД около 11 %. Все эти данные соответствуют однослойным фотоэлементам. В настоящее время известны двух- и трехслойные фотоэлементы, которые позволяют использовать большую часть солнечного спектра по длине волны солнечного излучения. Для двухслойного фотоэлемента на опытных образцах получен КПД 30 %, а для трехслойного 35–40 %.

Основными достоинствами СФЭУ и, соответственно, солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС) являются:

• повсеместная распространенность на Земле;
• неограниченность ресурсов;
• энергия, получаемая от солнечных электростанций, бесплатная;
• высокий срок службы (более 30 лет);
• экологическая чистота;
• низкий уровень эксплуатационных затрат.

Основными недостатками СФЭС являются:

• низкий общий КПД, который зависит от КПД фотоэлементов и инверторов;
• высокая стоимость (фотоэлементов и аккумуляторных батарей).

Эти недостатки приводят к тому, что в настоящее время стоимость электроэнергии, вырабатываемую с помощью СФЭС, превышает стоимость электроэнергии, вырабатываемую от традиционных источников электроэнергии.

Однако поскольку удельная стоимость солнечной электростанции не зависит от её размеров и мощности, в ряде случаев целесообразно размещение фотоэлемент СФЭС на крыше домов, коттеджей, ферм и т. п. В этом случае собственнику СФЭС необходимо продавать электроэнергию энергосистеме в дневное время, и покупать её у энергетической компании в ночные часы. Преимущества такого подхода использования связаны с экономией на опорных конструкциях и площади земли, а также совмещение функции крыши и источника энергии.

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 даёт 25 т нефти на 1 кг кремния. Если принять КПД тепловых электростанций, работающей на мазуте, 33 %, то 1 кг кремния по вырабатываемой электроэнергии эквивалентен примерно 75 тоннам нефти.

В связи с высокой надежностью срок службы СФЭС по основной компоненте – кремнию и солнечным элементам может быть увеличен до 100 лет. Единственным ограничением может явиться необходимость их замены на более эффективные элементы, поскольку КПД до 30 % будет достигнут в производстве в ближайшее время. В случае замены солнечных элементов кремний может быть использован повторно и количество циклов его использования не имеет ограничений во времени.

Основными компонентами СФЭУ являются солнечные батареи (модули); аккумуляторные батареи; автономные инверторы. Наибольшее распространение получили солнечные батареи, выполненные на монокристаллических или поликристаллических кремниевых элементах.

Солнечные батареи, как правило, разрабатываются на номинальное напряжение 12 В, а их мощность на 1 м² находится в пределах 100–350 Вт.

Электрические параметры солнечных батарей представляются в виде вольтамперной характеристики, снятой при стандартных условиях, т. е. когда мощность солнечной радиации составляет 1000 Вт/м², температура элементов – 25 °С и солнечный спектр – на широте 45° (рисунок 1).

На рисунке 1 также приведена кривая мощности, отбираемой от солнечной батареи в зависимости от напряжения нагрузки. Номинальная мощность модуля определяется как наибольшая мощность при стандартных условиях.

На СФЭУ нашли применение электрохимические аккумуляторы, которые являются источником электроэнергии в тёмное время суток. Основными условиями по выбору аккумуляторных батарей являются: стойкость к циклическому режиму работы (заряд-разряд); способность выдерживать глубокий разряд; низкий саморазряд; долговечность; простота в обслуживании.

Основными достоинствами аккумуляторных батарей являются:

• длительный срок службы – 15 лет;
• стойкость к циклическому режиму – более 1000 циклов;
• отсутствие необходимости обслуживания на протяжении срока службы;
• не требуют обслуживания в период срока службы;
• саморазряд составляет приблизительно 3 % в месяц.

Для преобразования постоянного тока аккумуляторной батареи в переменный синусоидальной формы применяется инвертор. Инверторы разделяются на два типа [2, 3]:

• инверторы для автономных систем;
• инверторы для сетевого применения.

Главное отличие инверторов в работе схемы управления. Первый тип имеет генератор эталонной частоты (генератор опорного сигнала), а второй должен работать синхронно с промышленной сетью (и в качестве генератора частоты используется сама сеть). Для всех типов инверторов основной электрический параметр – КПД который находится в пределах 85–92 %.

Выходное напряжение автономных инверторов в большинстве случаев составляет 220 В (50/60 Гц). Инверторы мощностью от 10 до 100 кВт, как правило, выполняются трёхфазными на напряжение 380 В. Все автономные инверторы преобразуют напряжение постоянного тока аккумуляторных батарей напряжением 12, 24, 48 и 120 В. Чем больше входное напряжение, тем проще инвертор и тем выше его КПД. При больших напряжениях значительно меньше потери на передачу энергии от солнечных батарей к аккумуляторной батарее, но при этом усложняется конструкция солнечных батарей и их эксплуатация при повышенных напряжениях (выше 40 В).

К качеству выходного напряжения автономных инверторов предъявляются менее жесткие требования. Если позволяет нагрузка в составе СФЭУ применяются автономные инверторы с трапециидальным выходным напряжением. Что важно, такие инверторы в 2…3 раза дешевле инверторов с синусоидальным выходным сигналом. Важный параметр автономных инверторов – зависимость КПД от мощности нагрузки [4]. Известно, что КПД должен не значительно уменьшаться при подключении нагрузки в десять раз меньшей (по потребляемой мощности), чем номинальная мощность инвертора. В идеальном случае к автономным инверторам предъявляются следующие требования:

• способность выдерживать перегрузки;
• низкие потери электроэнергии при малых нагрузках и на холостом ходу;
• обеспечивать стабилизацию выходного напряжения;
• высокий КПД;
• отсутствие электромагнитных помех, создаваемых силовыми электронными приборами.

Известно, что в зависимости от назначения потребителя, требований к качеству электроэнергии различают три типа СФЭС: автономные; резервные; работающие с сетью.

В удаленных районах, где нет централизованного электроснабжения, СФЭС используется для электроснабжения отдельных потребителей. В таких станциях производимая электроэнергия потребляется нагрузкой и одновременно аккумулируется в батареях для использования в темное время суток или в период слабой солнечной радиации.

Все типы СФЭС имеют общую структуру и содержат (рисунок 2): фотоэлектрические модули (ФЭМ); контроллер заряда (КЗ), который служит для защиты аккумуляторных батарей от избыточной подзарядки, а также от избыточной разрядки в ходе использования; систему аккумуляции (СА) которая содержит аккумуляторные батареи, емкость которых полностью обеспечивает требуемый уровень автономности в отношении электроснабжения подключенной нагрузки; инвертор (И); нагрузка (Н).

Если СФЭУ подключена к сети централизованного электроснабжения, избыток электрической энергии целесообразно продавать электросетям, если есть соответствующий закон, позволяющий это делать.

Для повышения надёжности работы СФЭС необходимо их конструировать по модульному принципу [5, 6]. Практически солнечные батареи – это отдельные модули. Целесообразно также применять типовые аккумуляторные батареи, которые также представляют отдельный модульный функциональный блок. Модульное агрегатирование необходимо также применить для автономных инверторов, где в качестве функциональных модульных элементов представить входные и выходные фильтры, силовую электронную схему и систему стабилизации напряжения и защиты.

Значительно повысить показатели надёжности автономных инверторов и СФЭУ в комплексе можно за счёт применения в их конструкции однофазно-трёхфазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем [7, 8].

Выводы

Таким образом, рассмотренные в статье достоинства и недостатки, особенности работы СФЭС позволят в перспективе разрабатывать их структурно-схемные решения с улучшенными эксплуатационнотехническими характеристиками.

Список использованной литературы

1. Григораш О. В., Степура Ю. П., Усков А. Е., Квитко А. В. Возобновляемые источники электроэнергии: термины, определения, достоинства и недостатки // Труды Кубанского государственного аграрного университета. – 2011. – № 32. – С. 189–192.
2. Григораш О. В., Новокрещенов О. В., Хамула А. А., Шхалахов Р. С. Статические преобразователи электроэнергии. Краснодар. 2006. С.264.
3. Григораш О. В., Степура Ю. П., Усков А. Е. Статические преобразователи и стабилизаторы автономных систем электроснабжения. Краснодар. 2011. С.188.
4. Богатырев Н. И., Григораш О. В., Курзин Н. Н. и др. Преобразователи электрической энергии: основы теории, расчета и проектирования. Краснодар. 2002. С.358.
5. Григораш О. В., Божко С. В., Нормов Д. А. и др. Модульные системы гарантированного электроснабжения. Краснодар. 2005. С. 306.
6. Григораш О. В., Дацко А. В., Мелехов С. В. К вопросу электромагнитной совместимости узлов САЭ. Промышленная энергетика. 2001. № 2. С.44–47.
7. Григораш О. В. Преобразователи электрической энергии на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем для систем автономного электроснабжения. Промышленная энергетика. 1997. № 7. С.21–25.
8. Григораш О. В., Кабанков Ю. А. К вопросу применения трансформаторов с вращающимся магнитным полем в составе преобразователей электроэнергии. Электротехника. 2002. № 3. С.22–26.