3.9. Вспомогательные системы для солнечных батарей
Активный материал, применяемый в производстве солнечных элементов, является наиболее дорогостоящим компонентом солнечных батарей. Поэтому для более эффективного его использования приходящее излучение собирают на его поверхности с помощью концентрирующих систем (рис. 3.24). При увеличении радиационного потока характеристики фотоэлементов не ухудшаются, если температура их поддерживается близкой к температуре окружающего воздуха посредством активного или пассивного охлаждения. Тепло, собираемое в процессе активного охлаждения, можно использовать для увеличения полной энергетической эффективности системы.
Коэффициент концентрации Х хорошо сфокусированной системы есть отношение входной апертуры концентратора к площади поверхности приемника. На практике концентрация энергии достигает 80…90 % этого геометрического фактора.
Не следящие за Солнцем системы с низким Х (Х5) регистрируют как прямое, так и диффузное излучение. Системы с более высокими Х должны следить за Солнцем, так как они чувствительны только в тех случаях, когда доля направленного излучения велика (более 70 %).
Существует большое количество всевозможных концентрирующих систем, основанных на линзах(обычно на плоских линзах Френеля), зеркалах, призмах полного внутреннего отражения и т.д. (рис. 3.24).
а) в) б)
Рис. 3.24. Схемы некоторых концентрирующих систем: линейный параболический отражатель (а) может быть изготовлен в виде твердого блока из прозрачного пластика; боковые отражатели (б); линзы Френеля (в): 1 – элементы; 2 – модули; 3 – поверхность эквивалентной выпуклой линзы
Следует помнить, что сильно неравномерная облученность фотоэлементов или модулей может привести к разрушению солнечного элемента.
Для получения наилучшего частотного соответствия солнечные элементы с возрастающей шириной расположены вдоль солнечного спектра (например, после призмы в направлении от инфракрасного диапазона к ультрафиолетовому). Основные потери (около 50%), связанные с несоответствием энергии фотонов ширине запрещенной зоны, могут быть таким образом значительно уменьшены. В итоге можно получить КПД до 60%, если коэффициент концентрации энергии перед разложением в спектр достаточно высок. Использование трех дихроичных зеркал позволило разработать системы, основанные на этом принципе.
Солнечное излучение может быть сконцентрировано с высоким Х на поглощающей поверхности, которая затем переизлучает его в соответствии со своей температурой. Максимум частоты излучения смещается в инфракрасную область спектра, что приводит к лучшему согласованию с небольшой шириной запрещенной зоны фотоэлемента. В лабораторных образцах этих систем получены КПД до 40%. Эти фотоэлементы получили название термоэлементов, но пока на практике не нашли широкого применения.
3.10. Инженерный расчет системы энергоснабжения на базе солнечных модулей (батарей) применительно к железнодорожному транспорту
Устройства автоматики, телемеханики и связи в большинстве случаев потребляют не очень большую мощность. Они обычно питаются от сети 10 кВ с использовнием однофазных трансфоматоров мощностью 630 ВА, 1,2 кВА и т.д. Устройства ПОНАБ, ДИСК и другие, применяемые для контроля букс вагонов, также потребляют мощность не более 1 кВт. Небольшие железнодорожные станции также имеют незначительное энергопотребление (порядка 10 кВт) по сравнению с тяговыми мощностями. Питание магистральных линий связи тоже может быть осуществлено солнечными батареями, так как они потребляют мощности (НУП) поредка 20 Вт. Все эти объекты могут в будущем иметь источники питания от солнечных батарей. Они же могут служить и резервными источниками электропитаня и вместо дизель-генераторов.
В связи с этим рассморим принцип расчёта СЭС небольшой мошности для питания объекта железнодорожного транспорта, где под расчетом системы энергоснабжения понимается определение номинальной мощности солнечных модулей или батарей, схема их соединения, выбор типа, условий работы и емкости аккумуляторной батареи, выбор типа и мощности инвертора, определение параметров соединительных кабелей и т.д.
Рассмотрим принцип солнечных фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии в электрическую. Все солнечные электрические станции можно разделить на два основных типа: 1) станции, соединенные с промышленной электрической сетью, имеющей большую мощность, 2) автономные станции. Вопрос о выборе типа СЭС решается в каждом случае индивидуально, в зависимости от конкретной ситуации района, региона или объекта.
Станции первого типа вырабатываемую энергию отдают непосредственно в промышленную мощную сеть, которая одновременно служит и накопителем энергии, и ее распределителем. Функциональная схема работы такой станции изображена на рис. 3.25
Рис. 3.25. Функциональная схема солнечной фотоэлектрической станции, соединенная с мощной сетью: 1 – солнечная батарея; 2 – инвертор; 3 – счетчик электроэнергии передаваемой мощной сети; 4 – мощная сеть
Мощность таких станций может достигать нескольких МВт, а спроектированы станции до 14 000 МВт.
Автономная фотоэлектрическая станция (рис. 3.26) (общий случай) состоит из набора солнечных модулей, размещенных на опорных конструкциях или крыше (крышах) здания, аккумуляторной батареи (АКБ), регулятора зарядки – разрядки аккумуляторной батареи, соединительных кабелей. Если потребителю необходимо переменное напряжение 220 В (или 380 три фазы), то к названному комплекту добавляется инвертор – преобразователь постоянного напряжения АКБ в переменное.
Рис. 3.26. Функциональная схема автономной солнечной электростанции, небольшой мощности: 1 – солнечная батарея; 2 – устройство отбора максимальной мощности; 3 – регулятор зарядки-разрядки; 4 – инвертор; 5 – потребитель переменного тока; 6 – аккумуляторная батарея; 7 – потребитель постоянного тока
В случае круглогодичного энергопотребления с экономической и технической точки зрения выгодно применение комбинированной ветросолнечной энергетической установки. Как правило, максимальное значение скорости ветра наблюдается в осенне-зимне-весенний период, когда поступление солнечной энергии уменьшается. В летние месяцы отсутствие ветра компенсируется солнечной энергией.
В качестве образца приведем пример расчета системы автономного энергоснабжения объекта, где потребители питаются переменным током (рис. 3.26) [25, 26].
Прежде всего необходимо определить суммарную электрическую мощность всех потребителей, подключаемых одновременно.
Пусть эта мощность составляет 630 Вт, частотой 50 Гц. Такая мощность необходима для энергообеспечения перегона. Как же выбрать максимальную мощность модулей для СЭС данного типа? Теоретические оценки (глава 2; формулы (2.11) и (2.12)) и опыт показывают, что необходимая минимальная мощность модулей должна быть в 3 раза больше потребляемой на данном перегоне. Это связано с тем, что угол наклона солнца изменяется в течение светового дня и, кроме того, длительность дня изменяется от месяца к месяцу.
Поэтому суммарная полная мощность модулей должна быть в данном случае 630·3=1890 Вт. Округляем в большую сторону т.е. берем мощность модулей 2000 Вт. Выберем модули типа SMW-50, так как эти модули аналогичны модулям PVM соответствующей мощности (см. прил. 2). Но они более легкие и более удобные в монтаже. Число модулей для этого примера будет 2000 Вт/50 Вт = 40 модулей.
Стоимость одного модуля 300 у.е. Таким образом, стоимость всей батареи будет 300 у.е.·40=12000 у.е.
Эти модули существуют в виде двух серий: 12-вольтовые и 24-вольтовые. Выберем 24-вольтовые модули типа SMW. Их соединяем параллельно.
Затем выберем емкость аккумуляторной батареи (АКБ). Напряжение на батарее должно быть 24 В. В этом примере удобнее взять 20 штук аккумуляторов типа 6СТ190. Соединить их можно по-разному, в зависимости от дальнейших устройств. Стоимость одной батареи округленно 2000 рублей или 2000 рублей·20=400 000 рублей.
Так как для работы перегона необходимо однофазное напряжение 220 В, частотой 50 Гц, то нужно использовать инвертор типа Глобал-2000. У этого инвертора по техническим условиям хорошее синусоидальное напряжение. Напряжение на входе 24 В (пост) на выходе 220 В, частотой 50 Гц. Стоимость этого инвертора 2426 у.е.
Помимо вышеперечисленных элементов на станциях необходимо еще устройство зарядки-разрядки, это так называемый регулятор тока солнечных модулей. Они тоже типовые и для данной мощности стоимость его 700 у.е. Необходимо еще добавить стоимость кабелей разъемов и пр. Если оценить стоимость основного оборудования, то оно для 40 модулей типа SMW-50 составляет 12 000 у.е.
Стоимость аккумуляторной батареи 400 000/30 = 13 333 у.е.
Стоимость инвертора – 2426 у.е.
Регулятор тока для солнечных модулей – 700 у.е.
Кабели – примерно 200 у.е.
Итого полная стоимость СЭС будет 28 659 у.е., т.е. округленно 28 700 у.е. Сюда не входят стоимость монтажа, наладка и прочие расходы.
Аналогичным образом можно рассчитать и СЭС на мощность потребителя P=1,2 кВт (переменный ток 50 Гц.) В этом случае мощность СЭС будет 3,5 кВт. При мощности 50 Вт модуля типа SMW-50 количество модулей будет 70 штук. Аккумуляторная батарея напряжением 24 В типа 6СТ190 – 30 штук. Инвертор Глобал. Стоимость инвертора 3150 у.е. и т.д.