Электроснабжение / Lektsia_5_SB

№5 Возобновляемые источники энергии

Солнечная башня в Севилье

PS10 – это первая коммерческая солнечная электростанция в Европе, построенная вблизи Севильи, в Испании. 115 метровая башня, окруженная 624 зеркалами, производит электроэнергию, достаточную для снабжения 60000 домов. Мощность станции 11 МВт. Площадь поверхности каждого зеркала – 120 кв.м. На башне установлены солнечный коллектор, парогенератор и турбина. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой на этой станции, в три раза выше энергии от централизованных источников.

Астахов С.М.

№5 Возобновляемые источники энергии

СЭС тарельчатого типа

Данный тип СЭС использует принцип получения электроэнергии, схожий с таковым у Башенных СЭС. Станция состоит из отдельных модулей. Модуль состоит из опоры, на которую крепится ферменная конструкция приемника и отражателя. Приемник находится на некотором удалении от отражателя, и в нем концентрируются отраженные лучи солнца. Отражатель состоит из зеркал в форме тарелок, радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 2 метров, а количество зеркал - нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять как из одного модуля (автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью).

Астахов С.М.

№5 Возобновляемые источники энергии

СЭС, использующие фотобатареи

СЭС этого типа в настоящее время очень распространены, так как в общем случае СЭС состоит из большого числа отдельных модулей (фотобатарей) различной мощности и выходных параметров. Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т.д.). Устанавливаться фотобатареи могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями. Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением небольшого посёлка.

Астахов С.М.

№5 Возобновляемые источники энергии

Солнечные элементы, но научному называемые фотоэлектрические элементы (photovoltaic – PV), преобразуют энергию солнечного света в электрическую. PV получили свое название от процесса преобразования световой (photons) энергии в электрическую (voltage), который называется PV эффект.

PV эффект был открыт в 1954 году, когда ученые из Bell Telephone обнаружили, что кремний (этот элемент – основа обыкновенного песка) создает электрическую энергию, когда его освещают солнечным светом. Вскоре солнечные элементы стали применять для питания электронной аппаратуры космических спутников и небольших электронных устройств таких, как калькуляторы и наручные часы. Сегодня тысячи человек питают свои дома и офисы от индивидуальных солнечных PV систем. Коммунальные предприятия также используют PV технологии на больших электрических станциях.

Солнечные панели, использующиеся для снабжения электроэнергией частных домов и офисов, имеют типичную конструкцию, скомбинированную из модулей, каждый из которых содержит порядка 40 элементов. Для электропитания дома обычно используется от 10 до 20 солнечных панелей. Панели монтируются под фиксированным углом лицом к югу, или же устанавливаются на поворачивающемся устройстве, следящем за положением солнца. Это позволяет максимально использовать энергию солнечного света. Много солнечных панелей, соединенных вместе, создают одну систему, называемую солнечный массив. Для большей производительности или индустриального применения сотни солнечных массивов соединяются в большую PV систему.

Астахов С.М.

№5 Возобновляемые источники энергии

Конструкции и материалы солнечных элементов

Производство структур на основе монокристаллического кремния – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено,

что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического

потолка – 16 %.

Астахов С.М.

№5 Возобновляемые источники энергии

Арсенид галлия – один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей. Это объясняется следующими его особенностями:

-повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;

-высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;

-относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;

-характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании солнечных элементов.

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе – широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный солнечный элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.

Астахов С.М.

№5 Возобновляемые источники энергии

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала. Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Один из основных способов получения CuInSe2 – электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH>>1,2–2,0.

Теллурид кадмия (CdTe) – еще один перспективный материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.

Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe – высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают

высокой подвижностью носителей заряда, а солнечные элементы на их основе –

высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

Астахов С.М.

№5 Возобновляемые источники энергии

СЭС, использующие параболические концентраторы

Принцип работы данных СЭС заключается в нагревании теплоносителя до параметров, пригодных к использованию в турбогенераторе.

Конструкция СЭС: на ферменной конструкции устанавливается параболическое зеркало большой длины, а в фокусе параболы устанавливается трубка, по которой течет теплоноситель (чаще всего масло). Пройдя весь путь, теплоноситель разогревается и в теплообменных аппаратах отдаёт теплоту воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор.

Астахов С.М.

№5 Возобновляемые источники энергии

Комбинированные СЭС

Часто на СЭС различных типов дополнительно устанавливают теплообменные аппараты для получения горячей воды, которая используется как для технических нужд, так и для горячего водоснабжения и отопления. В этом и состоит суть комбинированных СЭС. Также на одной территории возможна параллельная установка концентраторов и фотобатарей, что тоже считается комбинированной СЭС.

Астахов С.М.

№5 Возобновляемые источники энергии

10 крупнейших солнечных электростанций мира (2010 год)

1. Olmedilla de Alarcón

(Ольмендилья-де-Аларкон), 60 МВт

В сентябре 2008 года было завершено строительство этой солнечной электростанции, расположенной в испанском муниципалитете Ольмедилья- де-Аларкон.

Пиковая мощность электростанции Olmedilla достигает 60 МВт. Этой мощности достаточно, чтобы снабжать электроэнергией 20 тысяч домовладений.

2. Puertollano (Пуэртояно), 50 МВт

Станция Пуэртояно находится в одноименном муниципалитете в Испании. Она считается одной из крупнейших в мире солнечных электростанций: ее пиковая мощность равна 50 МВт. Строительство Пуэртояно было завершено в 2008 году.

3. Moura (Мора), 46 МВт

Район Амарележа находится в муниципалитете Мора в Португалии. Здесь построена крупная солнечная электростанция, которая приступила к работе весной 2008 года. 262 тыс. солнечных батарей обеспечивают станции Мора пиковую мощность в 46 МВт.

Астахов С.М.