Энергосбережение и нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

- потенциал  солнечной энергии, преобразование  фотон - электрон, структура и  свойства  фотоэлементов, свойства и применение.

Цели  лекции: разъяснить энергетические основы солнечной энергетики, перспективность её для создания промышленных источников электроэнергии, определить основные принципы преобразования энергии видимого излучения в электрическую энергию, изучить энергетические характеристики, технические и экономические показатели фотопреобразователей.  

 

Солнечная энергия должна играть заметную роль в обеспечении энергией, сокращении использования природных ресурсов и уменьшении деградации окружающей среды.

В Республике Казахстан продолжительность солнечного сияния, обеспечивающего поступление лучистой энергии на горизонтальную поверхность в пределах 1280 – 2300 кВт. ч./м ² составляет от 2000 до 3000 часов в год из общего количества 8760 (8736)  часов.

Суммарный годовой потенциал солнечной  энергии на территории Казахстана оценивается порядка 340 млрд.тонн условного топлива.

Источник  лучистой энергии  -  Солнце - раскалённый плазменный шар радиусом 696 тыс.км. Светимость  Солнца  3,86х10 в 23 степени кВт, эффективная температура поверхности около 6000 К, химический состав: водород -  около 90% , гелий – 10%, другие элементы – менее 0,1%.

Источник  энергии Солнца – ядерные превращения  водорода в гелий в центральной области Солнца, где температура около 15 млн. К. Энергия из недр Солнца к его поверхности переносится излучением, а затем во внешнем слое, толщиной около 0,2 радиуса шара – конвекцией. Интенсивность плазменных процессов на Солнце периодически – через 11 лет меняется. На Землю, находящуюся от Солнца на расстоянии 149 млн. км поступает поток солнечной  лучистой энергии мощностью около 2 10¹⁷ Вт.

Спектр  солнечного излучения охватывает диапазон от  гамма излучения до метровых радиоволн. В видимой области солнечный спектр близок к излучению абсолютно чёрного тела при температуре около 6000 К и имеет энергетический максимум в области 430 – 500 нм. Излучение в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм  входит в понятие  «свет», что по гречески - Фотос . К этому диапазону примыкает невидимое, но переносящее большую энергию,  длинноволновое инфракрасное излучение и коротковолновое ультрафиолетовое излучение.  При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном за счет поглощения излучения  атмосферной массой - парами воды – облаками (инфракрасное излучение), озоном (ультрафиолетовое излучение), частицами пыли, золы, дыма и аэрозолей,  за счет рассеяния светового потока молекулами газов. Все эти поглощения света   образуют понятие – оптическая плотность атмосферы. На верхней границе атмосферы и в космическом пространстве интенсивность излучения  равна = 1360 Вт\м².

В диапазоне  оптических частот существенно проявляется квантовый характер электромагнитного излучения и двойственность природы света – волновая и  корпускулярная. Квант электромагнитного излучения – ФОТОН - элементарная частица, обладающая нулевой массой покоя и скоростью, равной скорости света. Она не имеет ни электрического заряда, ни магнитного момента.

Фотоны  взаимодействуют электромагнитным образом со всеми элементарными частицами, создают процессы – излучение, поглощение, упругое рассеяние энергии. Под действием потока фотонов в некоторых полупроводниках возникает внутренний фотоэффект, при котором происходит переход носителей зарядов из связанного состояния в свободное и скопление их на  p – n  переходах, создающее разность потенциалов на поверхностях элемента. Фотон участвует в электромагнитных взаимодействиях, способных осуществить переход «фотон – электрон» и «электрон – фотон». На этом явлении основана фотопроводимость и работа фоторезисторов, фотодиодов, фотоэлементов - преобразователей световой энергии в электрическую.

Длинноволновое  инфракрасное излучение не производит фототока, а только разогревает полупроводник.

Вентильный  фотоэффект или фотоэлектрический  эффект – это возникновение ЭДС  в системе, содержащей контакт двух разных полупроводников  или полупроводника  и металла при поглощении квантов излучения оптического диапазона. С увеличением интенсивности лучистого потока величина этой ЭДС возрастает, достигая насыщения при больших освещённостях.

Фотоэлектрический эффект и солнечная батарея  являются основой  новой отрасли энергетики – «фотовольтаники» - использования солнечного света для производства электрической энергии.

Солнечный фотоэлемент (рисунок 8) изготавливается  из пластины полупроводникового материала, например, кремния со строго дозированным содержанием специальных добавок, создающих области с P- и N- типами проводимости, размещаемой между  электродами.

Нижний  электрод – пластина, верхний электрод – тонкие токосъемные  сетки,  которые предназначены для припайки к ним проводников. При использовании в качестве солнечного элемента  аморфного или кристаллического кремния коллекторными материалами служат олово или индий. Полученные после сборки пластин ячейки в зависимости от размеров характеризуются величиной вырабатываемого ими напряжения и тока, пропорционально падающему на них излучению.

Рисунок 8 – Принцип работы фотоэлектрического преобразователя 

 

При поглощении фотонов  в полупроводнике одновремённо освобождаются электроны и  дырки, образующие пары «электрон – дырка». Электроны из заполненной зоны переходят в свободную зону, становясь электронами проводимости, а дырки остаются в заполненной зоне, и также могут участвовать в электропроводности. При подходе к P-N  переходу пары под действием контактного электрического поля разделяются: электроны идут в электронный полупроводник, а дырки переходят в дырочный полупроводник. В результате возникает динамическое равновесие, когда число носителей зарядов, перемещающихся  в единицу времени через запирающий слой, сравнивается  с числом носителей, перемещающихся в обратном направлении. При этом между верхним и нижним электродами устанавливается разность потенциалов, представляющая собой фотоэлектродвижущую силу.

К веществам, образующих системы, в которых обнаруживается фотоэлектричество в первую очередь относятся кремний, германий, селен, Tl2S, Ag2S, CdS, CdTe,GaAs,Al,AlSb. Для изготовления солнечных источников электроэнергии применяются в основном кремниевые фотоэлементы, обладающие более высоким кпд преобразования энергии.  

Электропроводность кремния  зависит от малейших примесей и внешних электромагнитных воздействий. Для изготовления фотоэлементов применяется сверхчистый кремний «солнечного качества» разной кристаллической структуры – от монокристаллов до микрокристаллических фракций чистотой  99,9999%, из которого изготавливаются солнечные элементы.

Солнечный элемент представляет собой  плёночную структуру, в которой  под действием сета происходят P-N  переходы, а на освещённом и теневом электродах возникает разность потенциалов, способная обеспечить протекание тока по замыкающим электроды проводникам.

По такой схеме изготовляются  многослойные конструкции солнечной  ячейки, создающие ЭДС при  облучении световым потоком.

Соединённые последовательно и  параллельно ячейки образуют модули, содержащие, например,36 ячеек. В свою очередь модули собираются в панели мощностью от нескольких ватт до 150 -  сотен кВт. Солнечные панели размещаются на открытой местности, на крышах домов, на освещаемых поверхностях различных сооружений. Они вырабатывают постоянный ток, подаваемый на зарядку аккумуляторной батареи, а затем через инвертор получают переменный ток стандартного качества.

 
Вольтамперные характеристики элемента (ВАХ) при различных мощностях  светового потока. 

 

Рисунок 9 – Вольт-амперная характеристика солнечного элемента 

 

Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом,  зависит от размеров элемента. Величина тока зависит от интенсивности света и так же от размера элемента, под которым подразумевается площадь его поверхности.

Пиковая (максимальная) мощность солнечного элемента соответствует напряжению около 0,47 В. Таким образом, чтобы  правильно оценить качество солнечного элемента, необходимо нагрузить его так, чтобы выходное напряжение равнялось 0,47 В.

Батареи можно составлять в любой  желаемой комбинации. Простейшей батареей является цепочка из последовательно  включенных элементов. Можно также  соединить цепочки параллельно, получив, так называемое, последовательно-параллельное соединение, характеризующееся увеличением мощности.

Важным показателем работы солнечных  элементов является их температурный  режим. При нагреве элемента на один градус свыше 25^оС он теряет в напряжении 0,002 вольт, т.е. 0,4 %/градус. На рисунке приведены семейство ВАХ для температур 25^о С и 60^о С.

В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70^оС, теряя 0,07-0,09 вольт каждый. Это и является основной причиной снижения КПД солнечных элементов, приводящей к падению напряжения, генерируемого элементом. Для поддержания КПД на расчетном уровне применяется водяное или воздушное охлаждение элементов.  Обычно КПД солнечного элемента колеблется в пределах 10-16 %. Солнечная ячейка размером 100х100 мм при стандартных условиях может генерировать 1-1,6 Вт.

Электрические параметры для отдельного солнечного элемента представляются в  виде вольтамперной характеристики при стандартных условиях. Стандартными условиями работы элементов являются: освещенность 1000 Вт/м², температура 25^оС, солнечный спектр на широте 45^о.

Солнечные модули являются основным компонентом для построения фотоэлектрических  систем (ФЭС) в энергетике. Они могут  быть изготовлены с любым выходным напряжением.

При наземном использовании ФЭС обычно используются для зарядки аккумуляторных батарей (АКБ) с номинальным напряжением 12 В. В этом случае, как правило, 36 солнечных элементов соединяются последовательно и герметизируются посредством ламинации на стекле, текстолите, алюминии.

Напряжение, соответствующее максимальной мощности, называется напряжением максимальной мощности (рабочим напряжением - ), а соответствующий ток - током максимальной мощности (рабочим током - ).

Следует повторить, что напряжение холостого хода модуля мало зависит  от освещенности, в то время как рабочий ток, прямо пропорционален освещенности.

Модуль мощностью   в течение выбранного периода выработает следующее количество энергии

где - значение инсоляции (поступившей лучистой энергии) за выбранный период;

- коэффициент поправки равный 0,5 летом и 0,7 в зимний период  на потерю мощности солнечных элементов при нагреве на солнце, а также учитывающий изменение угла падения  лучей на поверхность модулей в течение дня.

Разница значения коэффициента  зимой и летом обусловлена меньшим нагревом элементов в зимний период.

Исходя из суммарной мощности, потребляемой конкретным потребителем энергии и  приведенной выше формулы, определяется  суммарная мощность модулей, обеспечивающих совместно с аккумуляторной батареей питание заданной нагрузки. При использовании ФЭС рекомендуется максимально снижать мощность потребителей. Например, в качестве осветителей использовать (по возможности) только люминесцентные лампы.

Эффективность преобразования световой энергии в электрическую на кремниевых элементах достигает порядка 16 – 20 % от мощности падающего на пластинку светового потока. Наибольшее распространение фотовольтаика получила для энергообеспечения  автономных объектов, ферм, сельских больниц,  уличного освещения. Доля солнечной энергии в общем объёме пиковой энергии к 2015 году достгнет15 – 20 %. 

В США начато строительства супермощной  солнечной электростанции занимающей площадь 11449 квадратных миль, способной  покрыть большую часть  потребности Соединенных Штатов в электроэнергии.

Наиболее предпочтительные районы размещения гелиоэлектростанций в  Казахстане – Приаралье, Кзылординская  и Южно-Казахстанская области  – испытывают дефицит электроэнергии                                                                                                                                        

                                                  

7 Лекция №7. Энергия Солнца. Солнечное тепло 

Содержание лекции:

 

Энергетические возможности солнечной энергетики, энергетические преобразования и конструктивная схема гелионагревателей.

Цели  лекции: показать возможности использования энергии Солнца для получения низкопотенциальной тепловой энергии, изучить принципы конструирования и использования  гелионагревателей в системах обеспечения горячей водой жилых и производственных помещений. 

 

Излучение Солнца является энергетической основой производства низкопотенциального  тепла, используемого в системах отопления зданий и горячего водоснабжения  для бытовых нужд. Рабочие органы солнечных нагревательных установок - гелионагреватели, являются самостоятельными отдельными устройством или входящими в архитектурное решение зданий.

Гелионагреватели. По оценкам общий  возможный энергетический потенциал  использования гелионагревателей  для теплоснабжения городов и населенных пунктов Казахстана составляет около 10 млн. тут, что составляет более 12 % от общего потребления топлива.

Интерес к использованию теплового  действия солнечной энергии в  промышленных установках возник примерно с 1973 г., т.е. с начала энергетического кризиса в некоторых развитых странах. Главной идеей этого направления является концентрация солнечного излучения с помощью зеркал и линз с целью достижения в фокусе концентраторов температуры (2,5 – 3,5)×10³ К. Так возникли установки для плавки металлов, котлы для получения горячей воды и пара, а также солнечные электростанции паротурбинного цикла – башенные солнечные электростанции. Они содержат зеркальный концентратор – гелиостат, снабженный механизмом поворота зеркал для слежения  за Солнцем и поддержания фокуса зеркал на паровом котле. Паровой котел вырабатывает пар, подаваемый в паровую турбину, соединенную с электрическим генератором. В состав СЭС входят также конденсатор пара, питательный насос, трансформаторная подстанция и электрическое распределительное устройство для выдачи энергии в энергосистему.