Как работает солнечная электростанция
Теплоэлектростанция на параболоцилиндрических концентраторах работает по иному принципу. На железную опору установлены параболоцилиндрические зеркала, сконцентрированные на максимальный прием солнечных лучей. В их фокусе расположена светопоглощающая трубка, в которой циркулирует масляный носитель, поступающий в теплообменник с водой. Жидкость быстро нагревается, превращаясь в пар, который вращает турбогенератор. Вакуумные СЭС используют энергию потоков воздуха, за счет разных температур.
Конструкция состоит:
- Из высокой башни;
- Встроенной турбиной с электрогенератором;
- Участком земли, накрытым зеркалами.
Мощность увеличивается по мере нагревания потоков воздуха. Благодаря прогреву земли башня может вырабатывать энергию круглосуточно, что является важным преимуществом в сравнении с другими солнечными аналогами. Для солнечных генераторов основной частью конструкции являются батареи, состоящие из множества тонких пластин кремния, которые преобразовывают солнечные лучи в электроэнергию. Чтобы обеспечить достаточную мощность, необходимо устанавливать несколько батарей. Такие системы обычно применяют для домашнего хозяйства, освещения оранжерей и выставок.
Есть ли будущее у альтернативных источников энергии в России
Несмотря на положительные тенденции, об активном развитии ВИЭ в России речи пока не идет.
Полноценному развитию ВИЭ в России препятствует отсутствие амбициозных национальных целей в области развития ВИЭ, а также распространенность неверных убеждений, считает Ланьшина из РАНХиГС. «Например, многие жители страны, включая лиц, принимающих решения, сомневаются, что за счет энергии солнца и ветра можно стабильно снабжать предприятия электроэнергией, считают, что для солнечной электростанции необходима огромная территория, а также не знают о том, что в России производство солнечной электроэнергии сегодня может стоить менее ₽4 за 1 кВт·ч», — добавляет она.
Зеленая экономика
Как менялось отношение к проблемам экологии в России за последние 20 лет
Еще одна из причин отсутствия развития в этой сфере — недостаточное количество специалистов в области ВИЭ.
Илья Лихов, гендиректор Neosun Energy:
«К сожалению, в России слабая инженерная база. У нас мало инженеров, ориентирующихся в современном оборудовании и технологиях, которые могли бы заниматься практическим обучением новых специалистов. Сейчас институт инжиниринга в России — это наследие СССР, которое с 1980-х годов эволюционирует очень медленно, а зачастую и вовсе закрыто к современным идеям».
В комплексе изменить систему поможет развитие образовательных проектов. Так, группа «Роснано» с издательством «Точка.Digital» и Ассоциацией развития возобновляемой энергетики выпустили учебное пособие «Развитие возобновляемой энергетики в России: технологии и экономика».
С конца 2019 года в России работает образовательный проект «Солнечные школы» — на крышах школ устанавливаются фотоэлектрические модули для производства электроэнергии. При этом солнечная энергия накапливается с помощью современных аккумуляторных систем, а электроэнергию, полученную с ее помощью, можно использовать в школе — например, для освещения или зарядки смартфонов.
Ирина Головашина, представитель Гёте-Института в Москве:
«На уроках дети могут сами познакомиться с принципами работы фотоэлектрических систем. Сейчас солнечные панели установлены на крышах школ в Москве, Санкт-Петербурге, Самаре, Краснодаре, Калининграде, Уфе и Ульяновске. При этом каждая школа-участница проекта получила в подарок «Чемоданчики для экспериментов», с помощью которых ученики могут выполнять различные лабораторные работы и углублять практические навыки».
Развиваться в этой сфере заинтересованные школьники смогут в проекте «Солнечные Университеты», который реализует МЭИ вместе с компаниями eclareon и НП «Евросолар». В нем участвуют вузы из Москвы, Калининградской области, Краснодарского края, Башкортостана, Ульяновской и Самарской областей и многие другие.
Зеленая экономика
Экологическое просвещение в школах: как устроено и кто за него отвечает
Татьяна Андреева, проект-менеджер eclareon GmbH, координатор проекта «ENABLING PV in Russia»:
«Цель проекта — создать сеть между университетами и «солнечными школами» и предложить выпускникам семи школ подходящую платформу и пул знаний для обучения в области энергетических технологий и энергетической промышленности в сфере ВИЭ. Участвующие российские университеты будут объединяться с немецкими университетами, научно-исследовательскими институтами, уже создавшими учебные и образовательные программы, а также исследовательские проекты в области фотовольтаики и ВИЭ».
Число образовательных проектов будет неизбежно увеличиваться, ведь ВИЭ продолжают создавать многочисленные рабочие места по всему миру. Согласно данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), количество рабочих мест в секторе достигло в 2020 году 11,5 млн по всему миру. Большинство работ — в сфере солнечной энергетики, здесь заняты 3,8 млн сотрудников.
Что это такое?
Солнечная батарея – это далеко не один прибор, как представляют себе многие обыватели, а несколько компонентов, которые в совокупности могут преобразовывать энергию лучей солнца в электрическую энергию.
Солнечная электростанция работает бесшумно, не выделяет вредных компонентов и электроэнергия, генерируемая ею – совершенно бесплатна. Срок службы солнечных панелей может составлять до 25-30 лет. Но для успешной эксплуатации всего комплекта необходимо предварительно представить себе целесообразность данной покупки, учесть множество параметров при выборе нужных солнечных батарей.
Рассмотрим, что входит в обычный комплект для электрификации дачного домика.
- Солнечные панели. Их количество порою может быть совершенно разным в зависимости от поставленных задач. Соединение может быть как последовательным, так и параллельным. Это напрямую будет зависеть от того, какое именно напряжение потребуется для инвертора.
- Контроллер заряда. Он включается в цепь между аккумулятором и солнечными панелями последовательно. Его роль заключена в качественном обеспечении постоянного напряжения на инверторе.
- Инвертор. Необходим для преобразования тока. Его нужно подключать параллельно к имеющимся аккумуляторам.
- Аккумуляторы – тоже могут существенно отличаться друг от друга.
- Провода, различные разъемы и другие дополнительные детали.
Цели использования
Если Вы покупаете солнечные батареи для дома, стоимость готового комплекта будет зависеть от целей, для которых приобретается СЭС. Таковых может быть три:
- Обеспечение полной автономности снабжения электроэнергией загородного дома или дачи. Особенно актуально решение этой проблемы там, где классические электросети отсутствуют либо подают энергию с перебоями.
- Желание использовать альтернативный источник питания не только для освещения, но и для обогрева, чтобы не зависеть от сезонного включения/выключения центрального отопления.
- Получение возможности заработать на продаже государству избытков.
Любой из этих вариантов предпочтительнее зависимости от государственной политики формирования цен на электричество и качества работы изношенных электросетей.
Солнечные электростанции
Солнечная электростанция – инженерное сооружение, служащее для преобразования солнечной радиации в электрическую энергию.
Солнечные электростанции разделяются на два больших класса:
Солнечные электростанции, использующие для преобразования энергии фотовольтаические ячейки, объединенные в батареи солнечных элементов (панели). Это наиболее распространенный вид преобразования. Все что было написано выше – относится к данным электростанциям. Объем генерации станции зависит от количества установленных солнечных панелей.
Этот вид электростанций подойдет либо для сетевых генерирующих компаний, представители которых навряд ли будут читать данный материал, либо для отдельно стоящих населенных пунктов с хорошей годовой инсоляцией.
Большое количество людей, проживающих в отдаленных уголках нашей родины, отрезаны от основных генерирующих мощностей. Электричество вырабатывается с помощью дизель-генераторов, а это очень дорогое электричество. Установка солнечной электростанции – приносит немедленный экономический эффект.
Основной недостаток фотовольтаической генерации – невозможность работы в ночное время суток и необходимость установки либо дополнительного генератора, либо большого банка АКБ.
Второй большой класс – солнечные электростанции, использующие тепловую энергию. Идея метода – нагревание теплоносителя с помощь солнечного излучения и подача получаемого пара на лопатки турбины генератора. Электростанции этого класса могут быть башенного и модульного типа.
В башенных солнечных электростанциях (СЭС) используется центральный приемник (емкость с теплоносителем) окруженный сфокусированной на нем обширной системой зеркальных элементов. Для максимальной передачи тепла, каждый зеркальный элемент оснащен следящей за солнцем системой. «Солнечные зайчики» фокусируются на центральном приемнике и превращаю теплоноситель пар. Пар подается на лопатки генератора, а его избыток аккумулируется внутри дополнительного резервуара, этот избыток используется для генерации электроэнергии в ночное время суток. Главным недостатком башенных солнечных электростанций являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь, но если с площадь в избытке, то строительство такой СЭС экономически оправдано.
Идея, лежащая в основе работы солнечных электростанций башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако первое строительство СЭС этого типа состоялось только в 1965г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.
Одной из крупнейших башенных станций на сегодня является станция Ivanpah Solar Electric Generating System в Калифорнии. Она включает в себя три башни высотой с 40-этажные здания, а также 350 000 зеркал размером с дверь гаража. Зеркала отражают солнечный свет на котлы на вершинах башен, создавая пар, который заставляет работать генераторы. Пиковая мощность электростанции 392 мВт, она может снабжать электричеством 140 тысяч домохозяйств.
В модульных солнечных электростанциях используется большое число модулей, в каждом из которых имеется параболо-цилиндрический концентратор солнечного излучения и физически соединенный с электрогенератором приемник. Физический принцип аналогичен башенным СЭС, но технически, каждый модуль теперь является миниэлектростанцией, подключающейся к сети генерирующей компании.
Схема солнечной установки. Основные элементы
Комплект системы солнечной электростанции состоит из следующих элементов:
1. Солнечные панели фотовольтаических ячеек: несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.
2. Солнечный контроллер заряда: электронное устройство, предназначенное для контролирования и управления процессом зарядки и разрядки аккумуляторной батареи. В связи с тем, что в течение дня инсоляция единицы поверхности претерпевает существенные изменения, напряжение, выдаваемое фотовольтаической панелью так же меняется. Для стабильной зарядки АКБ требуется ограниченный диапазон зарядных напряжений. Задача солнечного контроллера – сглаживание неравномерностей, вызванных инсоляцией.
Солнечные контроллеры бывают трёх типов:
- «On-Off» контроллеры, которые при достижении определенных уровней напряжения на клеммах аккумулятора либо подключают АКБ к зарядке от солнечной батареи, либо отключают. Из-за простоты логики работы устройства уровень зарядки аккумулятора достигает всего около 70%
- ШИМ контроллеры, благодаря широтно-импульсной модуляции тока на завершающей стадии зарядки аккумулятора позволяют добиться заряда АКБ до 100%.
- МРРТ контроллеры являются наиболее совершенными устройствами. Они преобразуют ток и напряжение, получаемое от солнечных панелей, до наиболее оптимальных значений для зарядки аккумулятора, благодаря чему эффективность использования солнечных батарей повышается на 30%. В современных системах применяются именно MPPT контроллеры. Поэтому им нужно уделить больше внимания. На вольт-амперной характеристике солнечной батареи, видно, что точка максимальной мощности сдвигается на графике, в зависимости от напряжения, вырабатываемого фотовольтаическими элементами. MPPT контроллер в он-лайн режиме отслеживает ток и напряжение на батарее и определяет пару ток-напряжение, при которых мощность СБ будет максимальной. Так же контроллер отслеживает состояние банка АКБ, в частности, на какой стадии заряда находятся аккумуляторы (наполнение, насыщение, выравнивание, поддержка) и на основании совокупных данных определяет оптимальный зарядныйток. Алгоритм вычисления точки максимальной мощности может отличаться для контроллеров разных производителей, что в общем случае не имеет принципиального значения.
3. Банк АКБ: накопительная ёмкость от размера которой зависит продолжительность функционирования в автономном режиме объекта, который она питает.
4. Инвертор/зарядное устройство: устройство, преобразовывающее полученный от солнечных батарей постоянный ток в переменный.
Инверторы делятся на три основных типа:
- Автономные (off grid) – не подключенные к внешней электрической сети и предназначенные для автономных систем электроснабжения;
- Сетевые (on grid) – работающие синхронно с централизованной сетью электроснабжения, без центральной сети они работать не будут. Кроме своих прямых функций, они обеспечивают регулировку основных эксплуатационных параметров сети: частоту напряжения, амплитуду и т.д.
- Гибридный (hybrid) – еще называемый «аккумуляторно-сетевым» преобразователь, совмещающий свойства автономных и сетевых устройств. Такой инвертор имеет большое количество настроек для оптимизации работы солнечной системы от общей электрической сети и при наличии аккумуляторных батарей. Гибридный инвертор чаще всего работает в режиме grid support, когда при работающей системе центрального снабжения, он использует максимально возможное количество энергии, получаемой от солнца, а при отключении общей сети, он может работать в полностью автономном режиме.
5. Пульт управления или связи. Он представляет собой многофункциональное устройство связи, обеспечивающее полный обзор эффективности систем управления электроэнергией с использованием интернета. Для многих систем пульт заменяется на коммутационный модуль с Ethernet интерфейсом. Это позволяет управлять системой с ПК, планшета или телефона – хорошее решение.
6. Следящая система – трекер. Это электромеханический прибор, цель которого — отслеживать перемещение источника света. Применяется для изменения положения фотоэлектрических модулей (солнечных батарей) с целью получения максимального КПД. Из-за высокой стоимости, в домашних системах применяется редко. Часто, вместо трекера используют механическое (ручное) смещение фотоэлементов в летний и зимний режим.
Вообще, основные части системы (инвертор, банк АКБ, контроллер заряда) будут аналогичными и для других систем электрогенерации с помощью ВИЭ – ветряной генерации и микро-гидрогенерации.
Принцип работы солнечной батареи
В результате перетечки зарядов на границе p- и n- слоев, в n-слое образуется зона нескомпенсированного положительного заряда, а в p-слое – отрицательного заряда, т.е. известный всем из школьного курса физики p-n-переход. Разность потенциалов, возникающая на переходе контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) препятствует прохождению электронов с p-слоя, но беспрепятственно пропускает неосновные носители в направлении противоположном, что позволяет получить фото-ЭДС при попадании на ФЭП солнечного света.
При облучении солнечным светом, поглощенные фотоны начинают генерировать неравновесные электронно-дырочные пары. Генерируемые же вблизи перехода электроны, из p-слоя переходят в n-область.
Аналогичным образом попадают в p-слой избыточные дырки и слоя n (рисунок а). Получается, что в p-слое накапливается положительный заряд, а в n- слое – отрицательный, вызывая напряжение во внешней цепи (рисунок б). У источника тока есть два полюса: положительный — p-слой и отрицательный — n-слой.
Это основной принцип работы солнечный элементов. Электроны, таким образом, будто бегают по кругу, т.е. выходят из p-слоя и возвращаются в n-слой, проходя нагрузку (аккумулятор).
Фотоэлектрический отток в однопереходном элементе обеспечивают лишь те электроны, которые обладают энергией выше, чем ширина некой запрещенной зоны. Те же, которые обладают меньшей энергией, в этом процессе не участвуют. Это ограничение снять позволяют структуры многослойные, состоящие из более чем один СЭ, у которых ширина запрещенной зоны различная. Их называют каскадными, многопереходными или тандемными. Фотоэлектрическое преобразование у них выше за счет того, что работают такие СЭ с более широким солнечным спектром. В них фотоэлементы располагаются по мере уменьшения ширины запрещенной зоны. Солнечные лучи вначале попадают на фотоэлемент с самой широкой зоной, при этом происходит поглощение фотонов с наибольшей энергией.
Затем, фотоны, пропущенные верхним слоем, попадают на следующий элемент и т.д. В области каскадных элементов основным направлением исследования является использование в качестве одного компонента или нескольких арсенида галлия. У таких элементов эффективность преобразования составляет 35%. Элементы соединяют в батарею, поскольку изготовить отдельный элемент большого размера (следовательно, и мощности) не позволяют технические возможности.
Солнечные элементы способны работать длительное время. Они себя зарекомендовали как стабильный и надежный источник энергии, пройдя испытания в космосе, где главной опасностью для них является метеорная пыль и радиация, которые приводят к эрозии кремниевых элементов. Но, поскольку, на Земле эти факторы не оказывают на них столь негативного действия, можно предположить, что срок службы элементов будет еще более продолжительным.
Солнечные батареи уже находятся на службе человека, являясь источником питания для различных устройств, начиная от мобильных телефонов и заканчивая электромобилями.
И это уже вторая попытка человека обуздать безграничную солнечную энергию, заставив работать ее себе во благо. Первой попыткой было создание солнечных коллекторов, электричество в которых вырабатывалось за счет нагрева сконцентрированными лучами солнца воды до температуры кипения.
Термальная солнечная электростанция в Испании (город Севилья)
Преимущество солнечных батарей в том, что они непосредственно производят электричество, теряя энергии намного меньше, чем солнечные многоступенчатые коллекторы, в которых процесс ее получения связан с концентраций лучей Солнца, нагревом воды, выделением пара, вращающего паровую турбину и только после этого выработке генератором электричества. Основные параметры солнечных батарей – в первую очередь, мощность
Затем важно, каким запасом энергии они обладают
Зависит этот параметр от емкости аккумуляторов и их числа. Третьим параметром является пиковая мощность потребления, означающая количество одновременно возможных подключений приборов. Еще одним важным параметров является номинальное напряжение, от которого зависит выбор дополнительного оборудования: инвертора, солнечной панели, контроллера, аккумулятора.
Разбираем все плюсы и минусы
Использование альтернативных источников энергии вызвано не только тем фактором, что земные ресурсы не бесконечны. Их применение объясняется и желанием сэкономить. Кроме того, солнечные портативные электростанции позволяют сэкономить на коммунальных платежах за газ и электричество. Но это далеко не все плюсы использования таких энергетических установок. На самом деле у них очень много преимуществ, если сравнивать с другими видами электростанций.
Если рассматривать готовые решения таких установок, то они преобразуют солнечную энергию в ток при помощи специальных фотоэлементов.
К преимуществам относятся:
- Возможность выработки тока даже в пасмурную погоду;
- Использование в комплексе с другими альтернативными источниками, например, ветровыми;
- Мощности небольшого устройства вполне хватит для питания всех устройств в загородном доме;
- Оборудование на солнечных батареях относится к бесконечно возобновляемым источникам энергии;
- Готовые системы не нуждаются в ремонте и обслуживании и являются самыми надежными и долговечными.
Поскольку работают такие системы только днем, то необходимо устанавливать их в комплексе с большими батареями для хранения энергии. А так как использование солнечных электростанций находится еще в экспериментальной стадии, то пока они способны преобразовывать только 20% энергии, в то время как у приливных моделей этот показатель составляет 70%, а у ветряных электростанций – 40%.
Поэтому пока еще очень часто солнечные энегростанции используются в комплексе с другими в так называемых гибридных системах.
Критерии выбора альтернативных источников энергии
Сегодня электричество является одним из важнейших факторов, от которых зависит качество жизни. Поэтому при частых перебоях в сети приходится искать альтернативные источники питания, такие как электростанция на солнечных батареях. Но выбирая портативные солнечные электростанции следует помнить, что оно не всегда способно обеспечивать полноценное электроснабжение. Особенно это относится к небольшим панелям, которые могут использоваться как резервный источник питания.
Смотрим видео, особенности выбора:
Если предполагается использование солнечной электростанции в качестве основного устройства электроснабжения, то нужно обеспечить достаточно свободного места для установки солнечной электростанции с большим количеством панелей. И при этом номинальная мощностью портативной солнечной электростанции должна перекрывать потребляемую на 120% и более.
Обзор популярных моделей
Продукция на отечественном рынке представлены в основном зарубежной продукцией. Однако и среди них есть как более дорогие и эффективные, так и относительно дешевые китайского производства.
Для сравнения рассмотрим модели различных марок. Начнем с солнечных электростанций Sunlight. В России они представлены следующих модификациях:
- Стандарт;
- Премиум;
- Профессионал.
Модели стандарт представляют собой автономные солнечные станции, используемые на объектах, не имеющих подключения к городской электросети. Они являются лучшим выбором для владельцев загородных домов с сезонной эксплуатацией. В состав портативной солнечной электростанции включены элементы необходимые для автономной работы системы на протяжении 24 часов:
- Солнечная панель;
- Регулятор заряда;
- АКБ;
- Инвертор.
Модель МАП SIN 48B предназначена для использования в загородном доме в качестве резервного источника энергии. В этой солнечной электростанции применяется контроллер заряда, производства США, который отличается высокой надежностью работы.
Смотрим видео, обзор о резервном источнике модели МАП SIN 48B:
Кроме того, электростанция может быть доукомплектована гибридным инвертором, что позволит использовать ее в комплексе с сетью. В комплект оборудования также входят аккумуляторы с количеством циклов достигающим 750.
Разновидности электростанций
Современные солнечные панели классифицируют, в основном, базируясь на таких факторах:
- механизм преобразования энергии;
- общее количество фотоэлектрических деталей и их расположение;
- уровень мощности.
Внешний вид этих электростанций может быть классическим, либо созданным по индивидуально составленному проекту для конкретной жилплощади.
Мощность можно назвать ключевым критерием, на который обращают внимание при выборе модели. Уровень мощности, которую вырабатывают солнечные панели, зависит, прежде всего, от уровня солнечной радиации. Электростанции делятся на такие виды:
Электростанции делятся на такие виды:
- автономные;
- мини;
- сетевые.
Автономная
Такой тип СЭС складывается из следующих компонентов:
- аккумулятора;
- зарядного устройства;
- инвертора;
- подключения к дому;
- распределителя с предустановленной защитой;
- солнечной панели.
Солнечная батарея подключается к аккумулятору посредством контроллера. Затем к аккумуляторам подсоединяется инвертор, переводящий постоянный ток в переменный. Такие электростанции незаменимы в той местности, где полностью отсутствует сеть.
Мини
Конструкция мини-электростанции мало отличается от уже перечисленных и складывается из трех основных деталей:
- батареи;
- инвертора;
- солнечных пластин.
Первая нужна для того, чтобы накапливать электроэнергию в тот момент, когда его становится в излишке, или же она вовсе не задействуется. Длительность и стабильность снабжения жилья электричеством зависит от емкости аккумуляторов, которые используются. Они принесут особую пользу в сумерках, ночью или когда на улице пасмурно. То есть, когда нет естественной возможности преобразовать энергию солнца, или мощности системы попросту недостаточно.
Вторая — для того, чтобы превращать постоянный ток в переменный. А третья – собирает солнечные лучи и затем преобразует их в электричество.
Сетевая
Она состоит из таких деталей:
- инвертор;
- распределитель с предустановленной защитой;
- солнечные панели;
- счетчик электричества.
Дополнительно в устройстве установлен гибридный инвертор. Его задача в том, чтобы объединять потоки электричества, которые исходят от сети и аккумулятора.
Излишки электричества направляются в сеть посредством отдельного счетчика. Лишнюю энергию можно продать по «зеленому» тарифу. Если же, напротив, есть нехватка энергии, ее можно добрать из сети через другой счетчик.
