СОЛНЕЧНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ (СТЭС)

В настоящее время наибольшее распространение получили

· башенного типа (БТ) с центральным приемником — парогенератором, на теплоприемной поверхности которого концентрируется солнечное излучение от плоских зеркал — гелиостатов;

· модульного типа (МТ), у которых в фокусе параболоцилинд-рических концентраторов (ПЦК) размещены вакуумирован-ные приемники — трубы с теплоносителем (парогенераторы);

комбинированные (КТ); это солнечно-тепловые СТЭС, в которых чисто солнечная ЭС того или иного типа (БТ или МТ) объединяется с теплоэлектростанцией.

Практические работы по созданию первых экспериментальных СЭС БТ начались одновременно в ряде стран мира в середине 70-х годов.

В нашей стране основные технические концепции крупных экспериментальных СЭС БТ были разработаны в 50-е годы. Однако первая опытная СЭС БТ электрической мощностью 5 МВт была пущена в эксплуатацию в 1987 г. (Крымская область). Эта СЭС может вырабатывать в год около 7 млн кВт-ч электроэнергии (эквивалент 2 тыс тут.).

С 1983 г. в ряде стран — США, Японии, Франции, Италии, Испании — проходили испытания (натурные экспериментальные исследования и сравнение различных технологий, первые СЭС БТ мощностью 0,5... 10 МВт). К ним относятся: Солар-1 (Баретоу, США, 10 МВт); Темис (Мартисон, Франция, 2,5 МВт); Юрелиос (Адрино, Италия, 1 МВт); Цеза-1 (Альмерин, Испания, 0,5 МВт); Саншайн (Нио, Япония, 1 МВт), всего общая мощность — 21,2 МВт. Стоимость и КПД установки Солар-1 соответственно составляла: 141 млн долл. (КПД — 11%).

С 1988 г. в США (Южн. Калифорния) работает 7 крупных СЭС МТ мощностью от 15 до 80 МВт. Все станции включены в общую энергосистему. Общая мощность СЭС составляет 243,8 МВт, КПД — 4... 16%. К 1989 г. завершено строительство первой очереди СЭС КТ — СТЭС мощностью 200 МВт. Планируется, что общая мощность СЭС достигнет в 2010 г. 4000 МВт. Все современные СТЭС независимо от их типа имеют следующие основные элементы: концентратор, теплоприемник, систему транспорта и аккумулирования теплоты, систему преобразования теплоты в работу. В СТЭС башенного типа теплоприемник-парогенератор кругового облучения или плоскостного типа расположен на вершине башни. Вокруг башни (теплоприемник кругового облучения) или с ее северной стороны (теплоприемник плоскостного типа) расположены плоские зеркала на подвижных опорах (гелиостаты), которые следят за солнцем и отражают солнечные лучи на поверхность теилоприемника. Водяной пар, полученный в теплоприемнике, направляется в паровую турбину. Дальнейшее преобразование теплоты в электроэнергию осуществляется по обычной схеме с циклом Ренкина. Пример тепловой схемы СТЭС башенного типа (10 МВт, Баретоу, США) показан на рис. 3.13.

1 — центральный приемник; 2 — турбина; 3 — тепловой аккумулятор; 4 — парогенератор системы аккумулирования; 5 — расширительный бак; 6 — охладитель пара, идущего на зарядку системы аккумулирования; 7 — промежуточный нагреватель системы аккумулирования теплоты; 8 — регенеративные подогреватели; 9 — деаэратор

Площадь теплоприемной поверхности, м²............................... 302

Общая площадь гелиостатов, м²............................................... 340 000

Количество гелиостатов................................................................... 1818

Температура пара на входе в турбину, °С......................................... 510

Давление пара на входе в турбину, МПа............................................... 10

Электрический КПД (нетто) при расчетной радиации, %. 15,3

В настоящее время разрабатывается новая концепция СТЭС башенного типа, в которой рабочим телом служит сжатый воздух. В теплоприемнике сжатый воздух нагревается до температуры 1000 °С и направляется в газовую турбину.

На рис. 3.14 показана принципиальная тепловая схема СТЭС с параболоцилиндрическими концентраторами (80 МВт, Калифорния, США).

с параболоцилиндрическими концентраторами:

1 — поле параболоцилиндрических концентраторов; 2 — пароперегреватель;

5 — парогенератор; 4 — экономайзер; 5 — теплоприемник промперегрева;

Вдоль линейного фокуса каждого параболоцилиндрического концентратора расположен теплоприемник в виде стальной трубы, окруженной стеклянной оболочкой. Пространство между трубой и стеклянной оболочкой вакуумировано, а на поверхность трубы нанесено селективное покрытие с высоким коэффициентом поглощения в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в инфракрасной области. Такая конструкция теплоприемника позволяет свести к минимуму потери теплоты в окружающее пространство за счет излучения, конвекции и теплопроводности. Теплоноситель (термостойкое кремнийорганиче-ское масло), проходя через теплоприемник, нагревается до температуры 390 °С и передает теплоту воде и водяному пару.

3.4. СОЛНЕЧНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ (СФЭС)

В настоящее время метод фотоэлектрического преобразования в мире стал одним из приоритетных направлений использования СЭ. Это обусловлено тем, что он обеспечивает:

· максимальную экологическую чистоту преобразования энергии;

· возможность получения энергии практически в любом районе;

· независимость эффективности преобразований СЭ от установленной мощности.

Фотоэлектрические источники находят применение для питания потребителей в широком интервале мощностей: от мини-генераторов для часов и калькуляторов мощностью несколько Вт до центральных электростанций мощностью несколько МВт.

Сейчас свыше 30 стран мира используют процесс прямого преобразования солнечной энергии в электрическую для различных целей. Суммарная мощность произведенных во всем мире солнечных фотоэлектрических преобразователей (СФЭП) или солнечных батарей составила в 1990 г — 51 МВт, в том числе: США — 35%, Япония — 34%, Европа — 19%, другие — 12%.

Используются несколько типов фотопреобразователей (ФП): кремний монокристаллический (22 долл. США/Вт; КПД модуля— 15%), поликристаллический (5; 12%), аморфный (8; 5%), арсенид галлия (50; 22%), теллурид кадмия; (фосфид индия; ар-сенид галлия — кремния; диселенид меди — индия).

Ведущими типами ФП сейчас являются монокристаллический (МК) и поликристаллический (ПК) кремний, объем выпуска которых около 70%.

Промышленное использование аморфного кремния началось с 1980 г. Эти фотопреобразотели (однослойной структуры) сейчас (КПД — 5...7%) используются для мини ЭВМ, электрических часов, систем катодной защиты трубопроводов и др. В дальнейшем при повышении КПД более 10% (до 24%) за счет использования каскадных структур эти преобразователи могут использоваться в ФЭС (фотоэлектрических станциях).

Сейчас ФЭС используются для электрификации изолированных объектов: теплиц, ферм, горных пастбищ, жилых домов и т. п.

В странах ЕС действует программа «Солнечная энергия».

В Германии будет построено 2250 ФЭС мощностью 1...5 кВт; действует программа «Тысяча крыш», предусматривающая электрификацию 1000 одно- и двухсемейных домов; в Швейцарии — действуют ФЭС максимальной мощностью 3 кВт, ФЭС — ПО кВт; предполагается до 2008 г. одну из равнинных областей перевести полностью на энергоснабжение за счет гидроэнергии и ФЭС мощностью до 2 МВт; предполагается разработать ФЭС с батареей площадью 25 м² для индивидуальных зданий; в Италии — предполагается довести к 2010 г. общие мощности ФЭС до 25 МВт за счет ФЭС мощностью 100, 200, 300 кВт.

В США построены ФЭС на основе плоских модулей кристаллического кремния мощностью 27...5200 кВт.

В Португалии 28 марта 2007 г. в местечке Серпа (Serpa), что в 200 км от Лиссабона, заработала самая мощная солнечная электростанция в мире. Ее 52 тыс солнечных батарей раскинулись на площади в 60 гектаров. Она обеспечит энергией 8 тыс домов.

Мощность новой станции составляет 11 МВт, за год она должна вырабатывать свыше 20 ГВт-часов энергии. Серпа — одно из самых солнечных мест в Европе. Сооружение Серпской СФЭС — плод совместных усилий американских компаний GE Energy Financial Services и PowerLiqht, а также португальской компании Catavento, стоил 78,5 млн долларов.

Солнечная электростанция в Серпе (рис. 3.15) на 40% производительнее, чем предыдущая станция-рекордсмен, расположенная в германском городе Покинг (Pocking).

Новая электростанция «сэкономит» для Португалии выбросы парниковых газов на 30 тыс т в год, если сравнивать с загрязнением от тепловой электростанции равной мощности.

Следует добавить, что Португалия намерена инвестировать за следующие 5 лет в развитие альтернативных электростанций (Солнце, ветер, волны) 10,8 млрд долларов, при этом правительство стремится достичь внушительного показателя — 45% покрытия расхода электроэнергии в стране за счет возобновляемых источников уже к 2010 г.

В странах бывшего СССР в теоретическом плане достигнутые результаты не уступают зарубежным. Однако имеется значительное отставание в организации работ по фотопреобразователям (ФП) на аморфном кремнии и по тонкопленочным структурам. По объему выпуска всех видов ФП Россия находится на одном из последних мест среди развитых стран. Исключение составляют космические аппараты.

Программой РФ «Экологически чистая энергетика» предусмотрено:

· освоение автоматизированного серийного производства высокоэффективных, надежных и относительно дешевых элементов, модулей и батарей из аморфного, кристаллического и поликристаллического кремния;

· освоение производства ФЭС малой мощности для электроснабжения маломощных потребителей;

· освоение производства ФЭС мегаватной мощности для параллельной работы с существующей электрической сетью.

Конкретное воплощение многих из поставленных проблем изложено в приведенных ниже научно-технических разработках. В Московском инженерно-физическом институте разработан новый тип солнечных батарей модульной конструкции, что позволяет наращивать их мощность в диапазоне от 0,2 до 100 кВт. Конструкция батарей позволяет использовать их и для выработки тепла.

Батарея имеет ряд преимуществ по сравнению с аналогичными разработками фирм США, Японии и Германии: простота конструкции, надежность, отсутствие дорогостоящих компонентов, таких как устройства слежения за солнцем. Гарантируется их работа в течение 20 лет без специального обслуживания.

В Институте материаловедения при университете г. Нюрнберг, Германия разработан новый тип солнечных элементов, преимуществами которых являются сниженная стоимость, длительный срок службы, меньший вес. Элементы являются гибкими и, благодаря нанесенной на их оборотной поверхности специальной металлической сетке, могут абсорбировать солнечный свет и на оборотной поверхности.

КПД новых батарей составляет 20...24% против менее 15% для обычных солнечных батарей. Новые элементы воспринимают также рассеянный свет. Стоимость примененных материалов снижена на 50%. Новые элементы найдут применение в космических исследованиях и при производстве гражданского оборудования.

В расположенных в Германии лабораториях компании ASEA Brown Boveri (ABB) ведется разработка термоэлектрических преобразователей ТЭП типа Amtec, представляющих собой дешевые и компактные установки с КПД в диапазоне 35...45%, мощности которых могут вырабатывать от нескольких ватт до нескольких мегаватт. Предполагается, что такие ТЭП смогут работать практически от любого источника тепловой энергии.

Пары 4 натрия высокого давления при температуре 800... 1000 °С отделены от натриевых паров низкого давления (температура 200...300 °С) мембраной 6 из бета-глинозема. Градиент давления заставляет двигаться ионы натрия через мембрану 6, при этом

мембрана действует как фильтр, пропускающий ионы натрия, но задерживающий электроны внешнего электронного слоя на стороне зоны высокого давления. Таким образом, сторона мембраны, обращенная к зоне высокого давления, заряжается отрицательно, а противоположная сторона — положительно, что создает разность потенциалов между электродами 5, к которым может быть подключена электрическая нагрузка.

Остаются пока нерешенными несколько проблем, самой трудной из которых является выбор материала и конструкции электродов 5. Эти электроды должны иметь хорошую электрическую проводимость, устойчивость против коррозии в парах натрия, малую испаряемость при температурах приблизительно 1000 °С, высокую проницаемость для паров натрия и должны образовывать жесткую форму для мембраны с малым контактным сопротивлением между ними. Этим требованиям соответствует лишь малое число металлов и сплавов.

Amtec может найти также применение в установках комбинированной выработки энергии.

В настоящее время в России фотопреобразователи установлены на маяках, навигационных знаках Баренцева и Черного морей, Рыбинского водохранилища, Ладожского озера, озера Байкал, на радиорелейной линии УКВ связи газопровода Средняя Азия — Центр и др. Все они выполнены на основе унифицированных модулей с пиковой электрической мощностью 10...240 Вт.

Важным обстоятельством является тот факт, что СФЭС отличаются относительной простотой конструкции, низкой металлоемкостью, могут работать с одинаковой эффективностью в любом диапазоне мощности и на любой географической широте. Трудности в практической реализации строительства СФЭС обусловлены прежде всего высокой стоимостью фотопреобразователей (в настоящее время 10... 12 тыс руб/кВт).

Удешевление СФЭС и увеличение их мощности связано с продолжением исследований в области электродинамики и выявлением новых перспективных способов преобразования солнечной энергии. Необходим переход к крупномасштабной, автоматизированной технологии изготовления солнечных элементов из монокристаллического и поликристаллического кремния, а также переход к тонкопленочной технологии производства солнечных элементов.

Солнечный элемент на основе кремниевых пластин представляет собой полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь (рис. 3.17). Он отличается от типичного микроэлектрон-

ного прибора только тем, что имеет большую площадь р-п переходов, простирающуюся по всей поверхности пластины.

В основе фотоэлектрического эффекта лежит процесс поглощения света в объеме полупроводника (в базовой области 5), при котором рассеиваемый фотон рождает электронно-дырочную пару. Электродвижущая сила (ЭДС), возникающая за счет разности коэффициентов диффузии носителей заряда — электронов и дырок, в однородном полупроводнике обычно очень мала. При поглощении света значительную ЭДС получают в неоднородном полупроводнике, в котором обеспечивается пространственное разделение носителей заряда разного знака (электронов (-) и дырок (+)) за счет встроенного электрического поля, создаваемого конструкционно на основе р-п переходов (3 и 5 на рис. 3.1 7,а я 11 я 5 на рис. 3.17,6).

Рис. 3.17. Конструкции кремниевых солнечных элементов:

а — простейшая типичная конструкция; б — конструкция с утопленным контактом; / — лицевой сетчатый токосъемный контакт (многослойная система Ti-Pd-Ag припой; 2 — просветляющее покрытие; 3 — легированный слой n -типа; 4 — слой объемного заряда; 5 — база p -типа; 6 — тыльный р_g⁺-слой; 7 — тыльный контакт; 8 — токосъемная шина; 9 — сетчатый токосъем; 10 — приконтактная сильнолегированная n⁺⁺-область; 11 — фронтальный n⁺-слой; 12 — слой оксида; 13 — канавка; 14 — утопленный фронтальный контакт

Области p -проводимости (дырочной) и n -проводимости (электронной) получают за счет диффузионного легирования основного вещества (Si) акцепторами (В, А1) и донорами электронов (Р, As, Sb) соответственно. Разница работ выхода носителей заряда на р-п переходе образует потенциальный барьер для основных носителей (равновесных носителей заряда в базовом материале, т. е. дырок в базе р-типа).

Для работы СЭ основную роль играют неосновные носители заряда (НН), т. е. неравновесные носители, появляющиеся в результате поглощения фотонов. Неосновные носители, проходя через р-п переход, ускоряются и создают фототок, отвод которого обеспечивают контакты (1, 7, 8, 9 на рис. 3.17,а и 7, 14 на рис. 3.17,6). Величина фототока в значительной мере зависит от времени жизни τ_нн (или от «диффузионной длины» l _нн) неосновных носителей.

В настоящее время уже предложено большое число конструкций солнечных элементов как на основе кремния, так и с использованием других полупроводниковых материалов. Различия конструкций во многом обусловлены стремлением повышения КПД за счет применения эффективных оптических систем свето-собирания и светопоглощения.

Конструкции СЭ на базе плоской поверхности пластин достаточно широко применяют благодаря относительной простоте технологии. На рис. 3.17,«показана одна из простейших конструкций солнечного элемента, созданного на пластине кремния.

Элемент, изображенный на рис. 3.17,6, имеет лучшие характеристики светопоглощения, чем элемент на рис. 3.17,я, и соответственно более заполненную вольт-амперную характеристику (ВАХ) и больший КПД, а также — большую площадь р-п перехода, что обеспечивает менее крутой наклон ВАХ в рабочей области.

Основная технологическая цепочка производства СЭ на пластинах кремния включает следующие этапы:

1) обезжиривание и очистка пластин (начальные и промежуточные);

3) травление для создания текстурированной поверхности (рис. 3.17,6);

4) газодиффузное внедрение фосфора для создания n-слоя на обеих сторонах пластины кремния;

5) травление для удаления стеклообразного слоя диффузанта;

6) осаждение (напыление) слоя алюминия на тыльную поверхность СЭ в вакууме;

7) термодиффузионная обработка для создания р -слоя на тыльной стороне путем проведения диффузии А1 через n -слой при -800 °С;

8) маскирование для создания рисунка токосъемной сетки на световой стороне с помощью фотолитографии или теневой

9) осаждение токосъемных слоев (в частности, из Ni, Ti, Pd
или Ag) на световую и тыльную поверхности;

12) погружение в расплавленный припой для создания подсоединительных контактов;

13) осаждение просветляющего покрытия из Та₂О₅ (или др.) и последующее его спекание при 450 °С;

14) резка на прямоугольники (при необходимости) и обработка торцов для удаления диффузионных закороток;

15) контроль качества — определение КПД и сортировка.
Цепочка 2-14 обычно содержит еще промежуточные этапы

очистки, сушки и контроля параметров. Если для улучшения све-тособирания фронтальная поверхность элемента делается текстурированной — с канавками, бороздками и т. п. (рис. 3.17,6), то между этапами 2-4 существует еще специальная операция образования поверхности сложной формы — вытравливание, лазерное или механическое скрайбирование.

СФЭС в сравнении с другими видами СЭС обладает рядом преимуществ, такими, как возможность получения электроэнергии даже при рассеянном солнечном свете, постепенного наращивания мощности добавлением новых секций солнечных батарей, малое потребление энергии на собственные нужды, большой (более 30 лет) срок службы, высокие надежность, ремонтопригодность и безопасность, относительная простота комплексной их автоматизации с возможностью работы без постоянного обслуживающего персонала.

Внедрение новой технологии и расширение производственной базы создают благоприятные условия для строительства СФЭС средней мощности (10... 1000 кВт) в северных широтах для электроснабжения сезонных потребителей, в горных районах, на Дальнем Востоке для питания автономных потребителей, а также для экспорта их в другие страны.

Создание крупномасштабной машиностроительной базы, основанной на принципиально новых технологических процессах производства СФЭС, позволит создавать крупные наземные СФЭС.

В нашей стране также велика потребность в автономных энергоустановках с использованием фотопреобразователей. Одной из причин неудовлетворения имеющихся потребностей являются ограничение по сырьевой базе кристаллического кремния и медленное освоение технологии производства преобразователей на основе аморфного кремния. НПО «Квант» сегодня является монополистом в производстве солнечных элементов из кристаллического кремния. «КвантЭМПАГРО» осуществило часть крупномасштабного эксперимента по сооружению в по с. Черноморский Краснодарского края «Солнечной деревни» — построено 8 из 20 намечавшихся к строительству коттеджей. Солнечные батареи мощностью 4 кВт сооружены на крышах домов, объединены между собой и могут отдавать излишки энергии в сеть. Среднесуточная выработка электроэнергии на одну установку составляет 10 кВт-ч.

Сегодня в России имеются хорошая научная база для развития фотоэнергетики и мощное промышленное производство (в Москве, Санкт-Петербурге, Краснодаре, Рязани и других городах), которое способно создавать практически любые современные СФЭУ любого назначения.

НПО «Астрофизика» в порядке конверсии оборонного производства ведет разработку и изготовление автономных гелиоэнер-гетических установок (ГЭУ) и блочных модульных электростанций на основе параболических концентраторов с металлическими зеркалами и различными преобразователями (двигатели Стерлинга, термоэмиссионные преобразователи и т. д.), оснащенных системами слежения за Солнцем.

Создание экологически чистых СЭС электрической мощностью 1... 10 МВт и выше на основе параболоидных и параболо-цилиндрических ГЭУ, многобашенных солнечных станций возможно с использованием газотурбинных преобразователей энергии.

Такие СЭС и автономные ГЭУ могут найти применение в регионах, отдаленных от централизованных сетей электро-, тепло- и газоснабжения, обеспечивая потребителя электрической, тепловой, механической энергией, в том числе и холодом.

НПО «Астрофизика» в кооперации с другими предприятиями создало два модуля мощностью 2,5 и 5 кВт с двигателем Стерлинга (разработка Физико-энергетического института АН РФ) и диаметром зеркала соответственно 5 и 7 м.

Отдельные модули солнечных установок со светосильными концентраторами мощностью 1...5 кВт можно использовать в качестве автономных источников электропитания.

Наиболее распространенными в странах СНГ являются солнечные батареи типа БСК-1, БСК-2, Электроника МЧ/1.

Эти солнечные батареи могут обеспечить зарядный ток аккумулятора в пределах 35...50 мА, не более того. Причем это будет при хорошем солнечном освещении. Следовательно, с помощью широко распространенных солнечных батарей можно обеспечить заряд маломощных аккумуляторов типа ЦНК-0,45, имеющих емкость не более 0,45 А/ч.

Ток солнечных батарей можно увеличить при помощи их параллельного включения. Конечно, необходимо включать солнечные батареи, имеющие одинаковое количество элементов и, следовательно, обеспечивающих одинаковое напряжение фотоЭДС. Но все же параллельное включение солнечных батарей, как это показано на рис. 3.18 нежелательно. Лучшие результаты будут получены при параллельном включении элементов солнечных батарей, как это показано на рис. 3.19.

Вследствие разной освещенности солнечных батарей, показанных на рис. 3.18 генерируемые ими напряжения будут немного отличаться друг от друга. Поэтому эффективно будет работать только одна солнечная батарея. При включении солнечных элементов по схеме, показанной на рис. 3.19, напряжения, генерируемые ими, более равномерно распределяются по солнечной батарее. Вследствие этого, частичное затенение элементов не принесет большого вреда для работы соленчной батареи.

Для увеличения напряжения солнечной батареи, можно включать последовательно, большое количество солнечных элементов.

Напряжение такой солнечной батареи будет равно сумме напряжений на всех составляющих ее солнечных элементах. Ток, отдаваемый этой батареей, будет ограничен током худшего элемента. Самый главный недостаток солнечных элементов — их относительная дороговизна. Но этот недостаток окупает эффективная работа заряжаемых с помощью солнца аккумуляторов.

При достаточном количестве солнечных элементов можно создать солнечную батарею с практически любыми напряжением и током, и способную обеспечить зарядку любого типа аккумуляторов. Все дело только в стоимости такой солнечной батареи. Конечно, не следует забывать, что мощная солнечная батарея будет занимать большую площадь для своей установки. Следует также заметить, если полноценное солнечное освещение батареи бывает ограниченное время суток, то желательно использовать солнечную батарею, обеспечивающую ускоренный зарядный ток, величина которого находится в пределах 0,15...0,3 от емкости аккумуляторов.

Если же солнечная батарея обеспечивает ток, меньший чем номинальный зарядный ток, менее 0,08 от емкости аккумуляторов, то в данном случае речь может идти не о зарядке, а только о подзарядке аккумуляторов. Это означает, что в светлый период времени солнечная батарея должна быть постоянно подключена к аккумулятору, все это время постоянно подзаряжая его. При этом необходимо контролировать, что бы во время работы аккумуляторной батареи напряжение на одном элементе аккумулятора было бы не ниже 1,2... 1,15 В. При напряжении ниже 1,15 В аккумулятор необходимо снять с работы и поставить на зарядку. В противном случае за короткое время напряжение на элементах аккумулятора упадет до 1,1 В, и такую разряженную аккумуляторную батарею уже невозможно будет использовать в эксплуатации без серьезной зарядки. Это указывает на то, что в процессе эксплуатации, обязательно необходимо контролировать напряжение на аккумуляторной батарее под нагрузкой. Разрядная и зарядная характеристики одиночного аккумулятора показаны на рис. 3.20.

Для дальнейшего понимания процесса зарядки солнечной батареей аккумулятора рассмотрим характеристики элемента солнечной батареи. Зависимость тока одного элемента солнечной батареи типа БСК-2 от напряжения на нем показана на рис. 3.21.

Рис. 3.20. Зарядная и разрядная характеристики никель-кадмиевого аккумулятора

Рис. 3.21. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

Этот график снят при оптимальном освещении солнечного элемента. Этот график типичен и для других солнечных элементов. Конечно, значение максимального тока будет зависеть от мощности солнечного элемента. Для снятия этого графика к освещенному солнечному элементу подключают переменный резистор. Изменяют сопротивление переменного резистора, и измеряют ток, поступающий в резистор и напряжение на солнечном элементе. Схема для снятия вольт/амперной характеристики солнечного элемента показана на рис. 3.22.

Для схемы измерения тока солнечного элемента (рис. 3.22) был построен график зависимости рассеиваемой мощности в сопротивлении нагрузки солнечного элемента. График показан на рис. 3.23. Этот график снят при оптимальном освещении солнечного элемента. При построении графика измерялось нагрузочное сопротив-

ление солнечного элемента при различных напряжениях на нем Затем, исходя из значения сопротивления нагрузки, и тока, протекающего через нагрузку, был построен график мощности, рассеиваемой в нагрузке. Из этого графика видно, что максимальная мощность отдаваемая в нагрузку солнечным элементом будет при напряжении на нагрузке 0,45 В. Оптимальное напряжение на нагрузке (0,45 В) отличается от напряжения фото ЭДС (0,6 В) в 0,75 раз.

Рис. 3.23. Зависимость рассеиваемой мощности в сопротивлении нагрузки от напряжения на ней

Следовательно, для зарядки аккумуляторов можно применить солнечную батарею, которая имеет максимальный генерируемый ток примерно равный току зарядки аккумуляторов. В этом случае солнечная батарея автоматически будет производить зарядку аккумуляторов необходимым зарядным током при своем освещении.

Рис. 3.24. Схема подключения солнечной батареи к аккумулятору

Батарею необходимо подключать к аккумуляторам через диод, как это показано на рис. 3.24. Это необходимо потому, что при неблагоприятном солнечном освещении напряжение на солнечной батарее может упасть ниже, чем напряжение на заряжаемых аккумуляторах. В этом случае аккумуляторы вместо своего заряда разрядятся через внутреннее сопротивление солнечной батареи. Буферный конденсатор С1 необходим, если аккумуляторы будут использоваться для работы во время своей зарядки/ подзарядки.

Последовательно с солнечной батареей включен миллиамперметр, который показываег; какой величины ток потребляет аккумулятор от солнечной батареи. Это дает возможность судить, находится ли аккумулятор под зарядным током или тренировочным, и вообще, работает ли в данный момент солнечная батарея или нет. В качестве миллиамперметра удобно использовать индикатор записи от магнитофона.

Шунт для этого индикатора записи тоже сделать достаточно просто. На резисторе типа МЛТ-0,5 наматываем 1 м провода типа ПЭЛ-0,1. Подключаем шунт параллельно микроамперметру и измеряем, какой максимальный ток он при этом может измерять. Допустим, получилось 100 мА. А для заряда аккумуляторов используется солнечная батарея с максимальным током 40 мА.

Следовательно, удобно иметь максимальную шкалу в 50 мА. Для получения такого максимального тока отклонения микроамперметра сопротивление шунта необходимо увеличить в два раза. Для этого необходимо увеличить длину провода шунта до двух

метров. Аналогично можно провести подгонку шунта и для других токов отклонения миллиамперметра.

В походных условиях можно считать процесс зарядки аккумуляторной батареи оконченным, если напряжение на ее элементах под нагрузкой составляет не менее 1,25 В/на элемент, и их ЭДС составляет не менее 1,36 В/на элемент. Если солнечная батарея используется только для подзарядки аккумуляторов, то ее необходимо подключать по мере разрядки аккумуляторов.

При неблагоприятных условиях подзарядка может даже продолжаться целый световой день. Ночью солнечные батареи нет необходимости отключать от аккумуляторов, поскольку они будут отключены автоматически с помощью диода VD1 (рис. 3.24).

Пример расчета солнечной батареи, необходимой для зарядки аккумуляторов показан на графиках рис. 3.20. В течение времени зарядки аккумулятора напряжение на нем будет находиться в пределах 1,4 В. Для питания аппаратуры в полевых условиях, обычно применяют напряжение питания 12 В. Такое напряжение могут обеспечить 10 никель-кадмиевых аккумуляторов, включенных последовательно. Для зарядки батареи из 10 никель-кадмиевых аккумуляторов, включенных последовательно, необходимо обеспечить напряжение на них равное 14 В (10 • 1,4 = 14).

При максимальном КПД работы солнечной батареи, когда напряжение на одном солнечном элементе составит 0,45 В, напряжение 14 В может обеспечить солнечная батарея состоящая из 31 элемента (14/0,45 = 31).

Если учесть падение напряжения на диоде, равное 0,7 В, то солнечная батарея должна иметь еще два лишних элемента. Суммарное количество солнечных элементов в батарее в этом случае будет равно 33 (31 + 2 = 33). Напряжение фотоЭДС солнечной батареи содержащей 33 элемента составит 19,8 В. Следовательно для зарядки аккумуляторной батареи напряжением 12 В, необходима солнечная батарея напряжением фотоЭДС почти 20 В!

Такую батарею можно собрать используя отдельные солнечные элементы или несколько готовых солнечных батарей.

В паспорте на солнечные батареи указывают напряжение фотоЭДС. В продаже имеются солнечные батареи на напряжения фотоЭДС равное 12 и 9 В. Следовательно, при оптимальном сопротивлении нагрузки (см. рис 3.23) напряжение на этих батаре-

ях составит 6,75 В для 9-вольтовой солнечной батареи и 9 В для 12-вольтовой солнечной батареи.

Две последовательно включенные солнечные батареи, имеющие напряжение фотоЭДС 9 и 12 В можно использовать для зарядки 12-вольтовой аккумуляторной батареи. Превышение суммарного напряжения, которое для двух батарей составит 21 В, расчетного напряжения 20 В на один вольт не опасно. Это превышение будет компенсировано некоторым уменьшением выходного напряжения солнечной батареи которое произойдет из-за неравномерного освещения элементов, составляющих солнечную батарею. Следует помнить, что ток солнечных батарей не должен превышать зарядный ток аккумуляторов.

Две последовательно включенные солнечные батареи на напряжение 9 В не смогут обеспечить полную зарядку аккумуляторной батареи. Они осуществят лишь ее подзарядку, до уровня не более 20% от необходимого заряда (см. рис. 3.20). Однако, подключенная к 12-вольтовой аккумуляторной батарее

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: