Термоэлектрические генераторы

метки: Термоэлектрический, Солнечный, Генератор, Батарея, Мощность, Аккумулятор, Напряжение, Инвертор

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР (ТЭГ), устройство на основе полупроводниковых термоэлементов <#»801333.files/image001.jpg»>

— Устройство и принцип работы: Генератор термоэлектрический для отопительной системы (рис.1.) состоит из газовой горелки 1, кожуха горелки 2, силовой рамы 3, двух жидкостных теплообменников 4, двух термоэлектрических батарей 5, теплообменника 6, соединительных труб 7, теплообменника 8, кожуха 9, элементов сжатия 10 и 11. Устройство работает

Продукты сгорания горелки 1 нагревают ребра теплообменника 6. При этом тепловой поток проходит через термоэлектрические батареи 5 и нагревает жидкий теплоноситель (воду, этиленгликоль, пропиленгликоль).

На поверхностях термобатарей образуется перепад температуры DТ, равный разности температур теплообменника 6 и теплообменника 4. На концевых шинах батарей «+» и «-» образуется разность потенциалов. Теплообменники 4 и 6 термобатареи 5 сжимаются между собой в раме 3 винтами 10 через тарельчатые пружины 11. Одновременно продукты сгорания нагревают теплоноситель в теплообменнике 8. Устройство включается в действующую отопительную систему, перед основным отопительным котлом. Нагретый в устройстве теплоноситель передает тепло через пластинчатый теплообменник, поступающей в основной котел «обратке» из системы отопления или исходной воде, подаваемой в систему горячего водоснабжения.

Электроэнергия, вырабатываемая термогенератором, может быть использована для питания какого-либо жизненно важного потребителя.

Электрическая и тепловая мощность может варьироваться. Мощность по электроэнергии составляет 4 — 5 % от выделяемой тепловой мощности.

Себестоимость продукции 1000-1300$ (для генератора с электрической мощностью 200 Вт).

Предлагаемая отпускная цена 1500-2000$.

Примеры другого возможного использования:

Газораспределительные станции (ГРС) используют котлы для подогрева оборудования, охлаждающегося при понижении давления газа — необходимо обеспечить бесперебойное питание автоматики.

Питание лодочных электромоторов (при сжигании газа из стандартного 40 кг баллона может быть получено 700 А*ч электроэнергии, для сравнения емкость автомобильного аккумулятора 55 А*ч).

Бытовые генераторные устройства. В настоящее время растет интерес к использованию термоэлектрических генераторных модулей в бытовых устройствах. В первую очередь это касается возможности питания маломощных потребителей электроэнергии — радиоприемники, сотовые и спутниковые телефоны, переносные компьютеры, устройства автоматики и т.п. от имеющихся источников тепла. Термоэлектрический генератор, в котором отсутствуют вращающиеся, трущиеся и какие-либо другие изнашиваемые части, позволяет непосредственно получать электричество из любого источника тепла: выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, горячей воды геотермальных источников, «бросового» тепла ТЭЦ и т.п. Руководствуясь опытом, полученным при создании промышленных термоэлектрических генераторов (ТЭГ) различной мощности — от нескольких Ватт до нескольких килоВатт ИПФ КРИОТЕРМ приступила к серийному производству бытового ТЭГ номинальной мощностью 8 Вт. Конструктивно генератор выполнен в виде алюминиевого ковшика с внутренним объемом около 1 л в донной части которого установлены генераторные модули производства ИПФ Криотерм.

Термоэлектрические явления в полупроводниках

... Термоэлектрические явления, открытые ещё в далёком 19–ом веке, теперь служат нам верой и правдой. Правда, так было не всегда… Несмотря на ... спаев соответственно. Термоэлектрические генераторы Термоэлектрический генератор (ТЭГ) – это агрегат энергопитания, состоящий из источника тепловой энергии (поток сплошной среды, горелка, атомный реактор и т.п.), термоэлектрической батареи, токопроводящих ...

Необходимый для работы генератора перепад температур достигается при разогреве ковшика, например, пламенем костра. Вода, нагреваемая внутри ковшика может идти на приготовление пищи или на другие цели. Данный генератор в первую очередь предназначен для использования в глухих, труднодоступных местах для подзарядки элементов питания индивидуальных средств связи и навигации, охотников, туристов, моряков, сотрудников вынужденных долгое время находится вдали от энергоснабжения.

Преимуществом генератора является малый вес и объем, высокая удельная генерируемая мощность, функциональность и высокая надежность. Конструкция генератора исключает возможность его перегрева при правильном использовании. В качестве дополнительной опции к генератору предлагается ступенчатый стабилизатор напряжения с диапазонами 3В-6В-9В-12В и переходники для зарядных устройств.

Термоэлектрические генераторы

Предназначены для обеспечения питанием небольших автономных наземных и подземных дистанционных систем, которые включают в себя различные датчики и устройства связи. Перспективным является использование ПТЭГ для питания сигнальных устройств на неэлектрофицированных участках дорог, для обеспечения работы автономных агрометеорологических комплексов в отдаленных и пустынных районах. Особенно эффективным является применение ПТЭГ в системах охранной сигнализации. Термоэлектрический источник электрической энергии работает на основе прямого преобразования тепловой энергии почвы в электрическую. Корпус почвенного термоэлектрического генератора выполнен из био- и гидроустойчивого теплоизолирующего материала, концентраторы защищены антикоррозионным покрытием.

Параметр	Значение
	ПТЭГ-1	ПТЭГ-2	ПТЭГ-3	ПТЭГ-4	ПТЭГ-5	ПТЭГ-6	ПТЭГ-7	ПТЭГ-8
Выходная электрическая мощность, мВт	5	6.5	8.5	12	20	5.5	10	16
Выходное напряжение, В	3; 6; 12	3; 6; 12	3; 6; 12	3; 6; 12	3; 6; 12	3; 6; 12	3; 6; 12	3; 6; 12
Усредненный тепловой поток, мВт	1440	2000	2880	4500	4500	156	336	600
Габариты, мм	85×85×250	120×120×250	150×150×250	20×120×250	0×100×250	0×120×250	120×250

Термоэлектрический генератор Altec — 8020

Предназначен для преобразования в электрическую энергию промышленных тепловых отходов и отходов тепла от тепловых машин (двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин и др.).

Является дополнительным источником энергии, которая может быть использована как для внутренних потребностей, так и для передачи ее во внешнюю электрическую сеть. Использование таких генераторов обеспечивает экономию топливных ресурсов на 5-7%.

Таблица

Принцип работы термогенератора основывается на прямом преобразовании тепловой энергии в электрическую путем использования термоэлектричества.В состав термоэлектрического генератора входят термоэлектрические модули и теплообменники горячего и холодного контуров. Теплообменники горячего контура передают тепло к термоэлектрическим модулям высокотемпературнойсиликоновойжидкостью. Теплообменники холодного контура отводят тепло от термоэлектрических модулей проточной водой. В корпусе термоэлектрического генератора предусмотрены штуцеры входа и выхода холодной проточной воды и штуцеры для подключения теплоносителя. Внешняя нагрузка подключается к клеммам, размещенным на передней панели термогенератора. Генератор может применяться для создания мощных термоэлектрических систем. Соединение определенного числа отдельных термоэлектрических генераторов обеспечивает потребителю необходимую электрическую мощность.№	Наименование параметра, единица измерения	Значение
1	Температура горячей жидкости на входе, оС	250
2	Расход горячей жидкости, мл/с	225
3	Давление горячей жидкости на входе, МПа	0.34
4	Температура холодной жидкости на входе, оС	50
5	Расход холодной жидкости, мл/с	100
6	Давление холодной жидкости на входе, МПа	0.12
7	Электрическое напряжение, В	50
8	Электрическая мощность, Вт	500
9	КПД,%	3.7
10	Вес, кг	14
11	Габаритные размеры, мм	320×305×125

Мощность современных ТЭГ колеблется от нескольких микроватт до нескольких десятков киловатт, КПД преобразования — от 2 до 10%, срок службы — от 1 года до 25 лет, стоимость установленной мощности — от $12 до $190 на 1 Вт. В России и США разработаны перспективные проекты ядерных термоэлектрических установок (ЯТЭУ), мощность которых достигает сотен и тысяч киловатт.

Термоэлектрические материалы. Широкое применение в конструировании ТЭГ в России и на Западе нашли следующие термоэлектронные материалы, условно подразделяемые на три группы: низкотемпературные (0-300°С) — халькогениды висмута и сурьмы, среднетемпературные (300-600°С) — теллуриды свинца, германия и олова и высокотемпературные (600°С и выше) — кремниево-германиевые сплавы.

Термоэлектрические генераторы на органическом топливе. Такие ТЭГ нашли наибольшее практическое применение в области электро- и теплоснабжения автономных объектов в нефтегазовой промышленности, метеорологии, навигации, сельском хозяйстве, армии и в быту.

В качестве источника теплоты в них используются продукты сгорания твердого, жидкого и газообразного топлива. С середины 70-х гг. по настоящее время на магистральных газопроводах России успешно эксплуатируется свыше 12 тыс. газовых низкотемпературных ТЭГ первого поколения (УГМ-80, УГМ-80М) и двухкаскадных ТЭГ второго поколения (ГТГ-150) с инфракрасными горелками мощностью от 80 до 150 Вт, разработанных НПО «Квант» и серийно выпускаемых ОАО «Позит». Канадская фирма «Global Thermoelectric» выпустила в 90-е гг. более 4 тыс. газовых среднетемпературных ТЭГ мощностью от 30 до 550 Вт, работающих более чем в 40 странах мира. Низкотемпературные генераторы с каталитическими горелками мощностью от 10 до 90 Вт серийно выпускаются в России НПП БИАТОС и в США компанией «Teledyne Energy Systems».На базе генераторов ГТГ-150 и ГТЖ-160 АО «Саратовгазавтоматика» в начале 90-х гг. освоило серийный выпуск автономных источников питания (АИП) мощностью 400, 750 и 900 Вт напряжением 27 В. За рубежом аналогичные АиП с ТЭГ на газовом топливе созданы в Канаде («Global Thermoelectric»), а АИП на жидком топливе — в Японии. В начале 90-х гг. в России были созданы на предприятии АИТ и выпускаются серийно ОАО «Позит» низкотемпературные бытовые ТЭГ мощностью от 4,5 до 30 Вт и напряжением от 6 до 12 Вт (ГТГ-4,5-12, ГТУ-15-12 и ГТГ-30-12).

Реакторные термоэлектрические генераторы (РТЭГ).

Требуемые уровни электрической мощности ТЭГ — от единиц до нескольких сотен и тысяч киловатт — могут быть обеспечены только в сочетании с ядерными реакторами (ЯР) в качестве источника теплоты. По способу теплопередачи от ЯР к горячим спаям РТЭГ можно разделить на три типа: вынесенные, в которых ТЭГ размещен вне ЯР, а теплопередача осуществляется циркуляционными теплоносителями; встроенные, в которых ЯР и ТЭГ совмещены в едином блоке, ТЭБ размещены на оболочках ТВЭЛ или на отражателе, а теплопередача осуществляется теплопроводностью; и промежуточные, в которых отвод теплоты от ЯР осуществляется тепловыми трубами. Отвод теплоты от холодных спаев ТЭГ всех типов осуществляется хладоагентом или излучением

Начиная с 60-х гг. и по настоящее время, ведущими предприятиями бывшего СССР (РНЦ Курчатовский институт» Обнинского физико-энергетического института, НПО «Красная Звезда» и «Квант», Сухумский ФТИ), а также такими компаниями США как «Atomic Internation», «Martin Marietta», «Westinghouse Electric Co.», «General Electriuc Co.» создан и опробован в эксплуатации ряд уникальных ядерных термоэлектрических энергоустановок.

солнечный энергия термоэлектрический генератор

2. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Быстрый рост энергопотребления является одной из наиболее характерных особенностей технической деятельности человечества во второй половине XX века. Развитие энергетики до недавнего времени не встречало принципиальных трудностей. Увеличение производства энергии происходило в основном за счет увеличения добычи нефти и газа, наиболее удобных в потреблении. Однако энергетика оказалась первой крупной отраслью мировой экономики, которая столкнулась с ситуацией истощения своей традиционной сырьевой базы. В начале 70-х годов энергетический кризис разразился во многих странах. Одной из причин этого кризиса явилась ограниченность ископаемых энергетических ресурсов. Кроме того, нефть, газ и уголь являются также ценнейшим сырьем для интенсивно развивающейся химической промышленности. Поэтому сейчас все труднее сохранить высокий темп развития энергетики путем использования лишь традиционных ископаемых источников энергии.

Атомная энергетика в последнее время также столкнулась со значительными трудностями, связанными, в первую очередь, с необходимостью резкого увеличения затрат на обеспечение безопасности работы атомных электростанций. Загрязнение окружающей среды продуктами сгорания ископаемых источников, в первую очередь угля и ядерного топлива, является причиной ухудшения экологической обстановки на Земле. Существенным является также и «тепловое загрязнение» планеты, происходящее при сжигании любого вида топлива. Допустимый верхний предел выработки энергии на Земле, по оценкам ряда ученых, всего на два порядка выше нынешнего среднего мирового уровня. Такой рост энергопотребления может привести к увеличению температуры на поверхности Земли примерно на один градус. Нарушение энергобаланса планеты в таких масштабах может дать необратимые опасные изменения климата. Эти обстоятельства определяют возрастающую роль возобновляемых источников энергии, широкое использование которых не приведет к нарушению экологического баланса Земли.

1 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ — ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ПУТЬ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ

Большинство возобновляемых видов энергии — гидроэнергия, механическая и тепловая энергия мирового океана, ветровая и геотермальная энергия — характеризуется либо ограниченным потенциалом, либо значительными трудностями широкого использования.

Суммарный потенциал большинства возобновляемых источников энергии позволит увеличить потребление энергии с нынешнего уровня всего лишь на порядок. Но существует еще один источник энергии — Солнце.

Солнце, звезда спектрального класса 2, желтый карлик, очень средняя звезда по всем своим основным параметрам: массе, радиусу, температуре и абсолютной величине. Но эта звезда имеет одну уникальную особенность — это «наша звезда», и человечество обязано всем своим существованием этой средней звезде.

Наше светило поставляет Земле мощность около 1017 Вт — такова сила «солнечного зайчика» диаметром 12,7 тыс. км, который постоянно освещает обращенную к Солнцу сторону нашей планеты.

Интенсивность солнечного света на уровне моря в южных широтах, когда Солнце в зените, составляет 1 кВт/м2. При разработке высокоэффективных методов преобразования солнечной энергии Солнце может обеспечить бурно растущие потребности в энергии в течение многих сотен лет. Доводы противников крупномасштабного использования солнечной энергии сводятся в основном к следующим аргументам:

1. Удельная мощность солнечной радиации мала, и крупномасштабное преобразование солнечной энергии потребует очень больших площадей.

2. Преобразование солнечной энергии очень дорого и требует практически нереальных материальных и трудовых затрат.

Действительно, как велика будет площадь Земли, покрытой преобразовательными системами, для производства заметной в мировом энергетическом бюджете доли электроэнергии? Очевидно, что эта площадь зависит от эффективности используемых преобразовательных систем. Для оценки эффективности фотоэлектрических преобразователей, осуществляющих прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлементов, введем понятие коэффициента полезного действия (КПД) фотоэлемента, определяемого как отношение мощности электроэнергии, вырабатываемой данным элементом, к мощности падающего на поверхность фотоэлемента солнечного зайчика. Так, при КПД солнечных преобразователей, равном 10% (типичные значения КПД для кремниевых фотоэлементов, широко освоенных в серийном промышленном производстве для нужд наземной энергетики), для производства электроэнергии потребовалось бы покрыть фотопреобразователями большую площадь. При этом интенсивность солнечной радиации принята равной 250 Вт/м.кв., что соответствует типичному среднему значению в течение года для южных широт. То есть «низкая плотность» солнечной радиации не является препятствием для развития крупномасштабной солнечной энергетики. Возможные пути создания экономичных преобразователей солнечной энергии будут рассмотрены в следующих разделах настоящей статьи.

Приведенные выше соображения являются достаточно веским аргументом: проблему преобразования солнечной энергии необходимо решать сегодня, чтобы использовать эту энергию завтра. Можно хотя бы в шутку рассматривать эту проблему в рамках решения энергетических задач по управляемому термоядерному синтезу, когда эффективный реактор (Солнце) создан самой природой и обеспечивает ресурс надежной и безопасной работы на многие миллионы лет, а наша задача заключается лишь в разработке наземной преобразовательной подстанции. В последнее время в мире проведены широкие исследования в области солнечной энергетики, которые показали, что уже в ближайшее время этот метод получения энергии может стать экономически оправданным и найти широкое применение.

Россия богата природными ресурсами. Мы имеем значительные запасы ископаемого топлива — угля, нефти, газа. Однако использование солнечной энергии имеет и для нашей страны большое значение. Несмотря на то, что значительная часть территории России лежит в высоких широтах, некоторые весьма большие южные районы нашей страны по своему климату очень благоприятны для широкого использования солнечной энергии. Еще большие перспективы имеет использование солнечной энергии в странах экваториального пояса Земли и близких к этому поясу районах, характеризуемых высоким уровнем поступления солнечной энергии. Так, в ряде районов Центральной Азии продолжительность прямого солнечного облучения достигает 3000 часов в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность составляет 1500 — 1850 кВт*час/м.кв.

Главными направлениями работ в области преобразования солнечной энергии в настоящее время являются:

• прямой тепловой нагрев (получение тепловой энергии) и термодинамическое преобразование (получение электрической энергии с промежуточным преобразованием солнечной энергии в тепловую);

— фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. Прямой тепловой нагрев является наиболее простым методом преобразования солнечной энергии и широко используется в южных районах России и в странах экваториального пояса в установках солнечного отопления, снабжения горячей водой, охлаждения зданий, опреснения воды и т.п.

Основой солнечных теплоиспользующих установок являются плоские солнечные коллекторы — поглотители солнечного излучения. Вода или другая жидкость, находясь в контакте с поглотителем, нагревается и при помощи насоса или естественной циркуляции отводится от него. Затем нагретая жидкость поступает в хранилище, откуда ее потребляют по мере необходимости. Подобное устройство напоминает системы бытового горячего водоснабжения.

В мире сейчас наиболее распространены солнечные тепловые электростанции двух типов:

1) башенного типа с концентрацией солнечной энергии на одном гелиоприемнике, осуществляемой с помощью большого количества плоских зеркал;

2) рассредоточенные системы из параболоидов и параболоцилиндров, в фокусе которых размещены тепловые приемники и преобразователи малой мощности.

2 ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Важный вклад в понимание механизма действия фотоэффекта в полупроводниках внес основатель Физико-технического института (ФТИ) Российской Академии наук академик А.Ф. Иоффе. Он мечтал о применении полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике уже в тридцатые годы, когда Б.Т. Коломиец и Ю.П. Маслаковец создали в ФТИ сернисто-таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени КПД = 1%.

Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского «Спутник»-3 и американского «Авангард»-1. С этого времени вот уже более 35 лет полупроводниковые солнечные батареи являются основным и почти единственным источником энергоснабжения космических аппаратов и больших орбитальных станций типа «Салют» и «Мир». Большой задел, наработанный учеными в области солнечных батарей космического назначения, позволил развернуть также работы по наземной фотоэлектрической энергетике.

Основу фотоэлементов составляет полупроводниковая структура с p-n переходом, возникающим на границе двух полупроводников с различными механизмами проводимости. Заметим, что эта терминология берет начало от английских слов positive (положительный) и negative (отрицательный).

Получают различные типы проводимости путем изменения типа введенных в полупроводник примесей. Так, например, атомы III группы Периодической системы Д.И. Менделеева, введенные в кристаллическую решетку кремния, придают последнему дырочную (положительную) проводимость, а примеси V группы — электронную (отрицательную).

Контакт p- или n-полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля, играющего чрезвычайно важную роль в работе солнечного фотоэлемента. Поясним причину возникновения контактной разности потенциалов. При соединении в одном монокристалле полупроводников p- и n-типа возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- в n-полупроводник. В результате такого процесса прилегающая к p-n переходу часть полупроводника p-типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к p-n переходу часть полупроводника n-типа, наоборот, приобретет положительный заряд. Таким образом, вблизи p-n перехода образуется двойной заряженный слой, который противодействует процессу диффузии электронов и дырок. Действительно, диффузия стремится создать поток электронов из n-области в p-область, а поле заряженного слоя, наоборот, — вернуть электроны в n-область. Аналогичным образом поле в p-n переходе противодействует диффузии дырок из p- в n-область. В результате двух процессов, действующих в противоположные стороны (диффузии и движения носителей тока в электрическом поле), устанавливается стационарное, равновесное состояние: на границе возникает заряженный слой, препятствующий проникновению электронов из n-полупроводника, а дырок из p-полупроводника. Другими словами, в области p-n перехода возникает энергетический (потенциальный) барьер, для преодоления которого электроны из n-полупроводника и дырки из p-полупроводника должны затратить определенную энергию. Не останавливаясь на описании электрических характеристик p-n перехода, который широко используется в выпрямителях, транзисторах и других полупроводниковых приборах, рассмотрим работу p-n перехода в фотоэлементах.

При поглощении света в полупроводнике возбуждаются электронно-дырочные пары. В однородном полупроводнике фотовозбуждение увеличивает только энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве, то есть электроны и дырки разделяются в «пространстве энергий», но остаются рядом в геометрическом пространстве. Для разделения носителей тока и появления фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС) должна существовать дополнительная сила. Наиболее эффективное разделение неравновесных носителей имеет место именно в области p-n перехода. Генерированные вблизи p-n перехода «неосновные» носители (дырки в n-полупроводнике и электроны в p-полупроводнике) диффундируют к p-n переходу, подхватываются полем p-n перехода и выбрасываются в полупроводник, в котором они становятся основными носителями: электроны будут локализоваться в полупроводнике n-типа, а дырки — в полупроводнике p-типа. В результате полупроводник p-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник n-типа — отрицательный. Между n- и p-областями фотоэлемента возникает разность потенциалов — фотоЭДС. Полярность фотоЭДС соответствует «прямому» смещению p-n перехода, которое понижает высоту барьера и способствует инжекции дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область. В результате действия этих двух противоположных механизмов — накопления носителей тока под действием света и их оттока из-за понижения высоты потенциального барьера — при разной интенсивности света устанавливается разная величина фотоЭДС. При этом величина фотоЭДС в широком диапазоне освещенностей растет пропорционально логарифму интенсивности света. При очень большой интенсивности света, когда потенциальный барьер оказывается практически нулевым, величина фотоЭДС выходит на «насыщение» и становится равной высоте барьера на неосвещенном p-n переходе. При засветке же прямым, а также сконцентрированным до 100 — 1000 крат солнечным излучением, величина фотоЭДС составляет 50 — 85% от величины контактной разности потенциала p-n перехода.

Мы рассмотрели процесс возникновения фотоЭДС, возникающей на контактах к p- и n-областям p-n перехода. При коротком замыкании освещенного p-n перехода в электрической цепи потечет ток, пропорциональный по величине интенсивности освещения и количеству генерированных светом электронно-дырочных пар. При включении в электрическую цепь полезной нагрузки, например питаемого солнечной батареей калькулятора, величина тока в цепи несколько уменьшится. Обычно электрическое сопротивление полезной нагрузки в цепи солнечного элемента выбирают таким, чтобы получить максимальную отдаваемую этой нагрузке электрическую мощность. Солнечный фотоэлемент изготавливается на основе пластины, выполненной из полупроводникового материала, например кремния. В пластине создаются области с p- и n- типами проводимости. В качестве методов создания этих областей используется, например, метод диффузии примесей или метод наращивания одного полупроводника на другой. Затем изготавливаются нижний и верхний электроконтакты (на рисунке электроды заштрихованы), причем нижний контакт — сплошной, а верхний выполняется в виде гребенчатой структуры (тонкие полосы, соединенные относительно широкой токосборной шиной).

Основным материалом для получения солнечных элементов является кремний. Технология получения полупроводникового кремния и фотоэлементов на его основе базируется на методах, разработанных в микроэлектронике — наиболее развитой промышленной технологии. Кремний, по-видимому, вообще один из самых изученных материалов в природе, к тому же второй по распространенности после кислорода. Если учесть, что первые солнечные элементы были изготовлены из кремния около сорока лет назад, то естественно, что этот материал играет первую скрипку в программах фотоэлектрической солнечной энергетики. Фотоэлементы из монокристаллического кремния сочетают достоинства использования относительно дешевого полупроводникового материала с высокими параметрами получаемых на его основе приборов.

До недавнего времени солнечные батареи наземного применения, так же как и космического, изготавливали на основе относительно дорогого монокристаллического кремния. Снижение стоимости исходного кремния, разработка высокопроизводительных методов изготовления пластин из слитков и прогрессивных технологий изготовления солнечных элементов позволили в несколько раз снизить стоимость наземных солнечных батарей на их основе. Основными направлениями работ по дальнейшему снижению стоимости «солнечной» электроэнергии являются: получение элементов на основе дешевого, в том числе ленточного, поликристаллического кремния; разработка дешевых тонкопленочных элементов на основе аморфного кремния и других полупроводниковых материалов; осуществление преобразования концентрированного солнечного излучения с помощью высокоэффективных элементов на основе кремния и относительно нового полупроводникового материала алюминий-галлий-мышьяк.

В последние годы в мире достигнут значительный прогресс в области разработки кремниевых солнечных элементов, работающих при концентрированном солнечном облучении. Созданы кремниевые элементы с КПД > 25% в условиях облучения на поверхности Земли при степени концентрирования 20 — 50 «солнц». Значительно бЧльшие степени концентрирования допускают фотоэлементы на основе полупроводникового материала алюминий-галлий-мышьяк, впервые созданные в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе в 1969 году. В таких солнечных элементах достигаются значения КПД > 25% при степени концентрирования до 1000 крат. Несмотря на большую стоимость таких элементов, их вклад в стоимость получаемой электроэнергии не оказывается определяющим при высоких степенях концентрирования солнечного излучения вследствие существенного (до 1000 раз) снижения их площади. Ситуация, при которой стоимость фотоэлементов не дает существенного вклада в общую стоимость солнечной энергоустановки, делает оправданным усложнение и удорожание фотоэлемента, если это обеспечивает увеличение КПД. Этим объясняется внимание, уделяемое в настоящее время разработкам каскадных солнечных элементов, которые позволяют достичь существенного увеличения КПД. В каскадном солнечном элементе солнечный спектр расщепляется на две (или более) части, например, видимую и инфракрасную, каждая из которых преобразуется с помощью фотоэлементов, выполненных на основе различных материалов. В этом случае снижаются потери энергии квантов солнечного излучения. Например, в двухэлементных каскадах теоретическое значение КПД превышает 40%.

Из сказанного выше следует вывод о перспективности фотоэлектрической солнечной энергетики. Солнечное излучение является практически неисчерпаемым источником энергии, оно поступает во все уголки Земли, находится «под рукой» у любого потребителя и является экологически чистым доступным источником энергии.

Недостатком солнечного излучения как источника энергии является неравномерность его поступления на земную поверхность, определяемая суточной и сезонной цикличностью, а также погодными условиями. Поэтому весьма важной является проблема аккумулирования электроэнергии, вырабатываемой с помощью солнечных энергоустановок. В настоящее время эта проблема решается в основном путем использования обычных химических накопителей — аккумуляторов. Одним из перспективных способов аккумулирования является использование электроэнергии для электролиза воды на водород и кислород с последующим хранением и использованием водорода в качестве экологически чистого топлива, так как при сгорании водорода образуются только пары воды.

Крупномасштабное развитие фотоэнергетики даст огромный толчок развитию районов Земли с высоким среднегодовым поступлением солнечного излучения. Это касается в первую очередь пустынных и засушливых районов, которые с «приходом» солнечной электроэнергии станут районами, пригодными для активного земледелия — житницами Земли. Значит ли это, что усилия специалистов надо сосредоточить только на разработке фотоэлектрических преобразователей и решении непосредственно связанных с ними проблем? Конечно, нет. Нельзя развивать какое-то одно направление за счет подавления других направлений. Это же касается и электроэнергетики: ее нельзя строить, базируясь только на одном виде ресурсов. Она должна основываться на многих источниках: солнечных, ветровых, атомных и, конечно, на традиционных, ископаемых источниках. Это позволит найти оптимальные пути их взаимодействия, постепенно переходя к совершенной, экологически чистой и надежной энергетике будущего.

3. Элементы солнечных батарей и дополнительные компоненты

1 ЭЛЕМЕНТЫ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ

Модули солнечной батареи наземного применения как правило конструируются для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12В. При этом последовательно соединяются 36 солнечных элементов, и далее собираются в модуль. Полученный пакет как правило обрамляют в алюминиевую раму, облегчающую крепление к несущей (опорной) конструкции. Мощность модулей солнечной батареи может достигать 10-300Вт.

Электрические параметры таких модулей отражаются в вольтамперной характеристике, определенной при стандартных условиях (т.е. когда мощность солнечной радиации равняется 1000 Вт/м ² , температура элементов — 25°С и солнечный спектр — на широте 45°).

Точка пересечения кривой с осью напряжения называется напряжением холостого хода V_х.х. , а с осью тока — током короткого замыкания I_к.з . На этом же графике приведена кривая мощности, получаемой от солнечных элементов в зависимости от нагрузки. Номинальная мощность модуля определяется как наибольшая мощность при стандартных условиях. Значение напряжения, соответствующее максимальной мощности именуется рабочим напряжением V_р , а соответствующий ток — рабочим током I_р . Значение рабочего напряжения для модуля, состоящего из 36 элементов примерно равно 16-17В (0,45-0,47В/элемент) при 25°С. Такой запас по напряжению нужен для того, чтобы компенсировать уменьшение рабочего напряжения при разогреве модуля солнечным излучением. Температурный коэффициент напряжения холостого хода для кремния составляет — минус 0,4%/градус. Температурный коэффициент тока — плюс 0,07 %/градус. Напряжение холостого хода солнечного модуля мало меняется при изменении освещенности, в то время как ток короткого замыкания прямо пропорционален. КПД солнечного модуля определяется как отношение максимальной мощности модуля к общей мощности излучения, падающей на его поверхность при стандартных условиях, и составляет 15-40%.

Рис.1. Вольтамперная характеристика солнечной батареи

С целью получения требуемой мощности и рабочего напряжения модули соединяют последовательно или параллельно. Так получают солнечную батарею. Мощность солнечной батареи всегда ниже, чем сумма мощностей модулей — из-за потерь, обусловленных различием в характеристиках однотипных модулей (потерь на рассогласование).

Чем тщательнее подобраны модули в батарее (то есть, чем меньше различие в характеристиках модулей), тем ниже потери на рассогласование. К примеру, при последовательном соединении десяти модулей с разбросом характеристик 10% потери составляют примерно 6%, а при разбросе 5% — снижаются до 2%.

В случаи затенения одного модуля, или части элементов в модуле, в солнечной батарее при последовательном соединении появляется «эффект горячего пятна» — затененный модуль (или элемент) начинает рассеивать всю производимую освещенными модулями (или элементами) мощность, стремительно нагревается и выходит из строя. Для устранения этого эффекта параллельно с каждым модулем (или его частью) устанавливают шунтирующий диод. Диод нужен при последовательном соединении более двух модулей. К каждой линейке (последовательно соединенных модулей) также подключается блокирующий диод для выравнивания напряжений линеек. Все эти диоды как правило размещаются в соединительной коробке самого модуля. Схема батареи приведена на рисунок 2.

Вольтамперная кривая солнечной батареи имеет тот же вид, что и единичного модуля. Рабочая точка батареи, подключенной к нагрузке, не всегда совпадает с точкой максимальной мощности (тем более, что положение последней зависит от условий освещенности и температуры окружающей среды).

Подключение таких нагрузок, как, например, электродвигатель, может сдвинуть рабочую точку системы в область минимальной или даже нулевой мощности (и двигатель просто не запустится).

Вследствие этого следующий важный компонент солнечной батареи — преобразователи напряжения, способные согласовывать солнечную батарею с нагрузкой. Общая схема солнечной электростанции имеет показана на рисунках 3 и 4 .

Рис.3. Схема автономной солнечной электростанции

Рис.4. Схема солнечной электростанции объединенной с промышленной электросетью

2 РЕГУЛЯТОРЫ ОТБОРА МОЩНОСТИ БАТАРЕИ

Обычно, в этих регуляторах реализуется принцип поиска максимума мощности путем коротких периодических изменений положения рабочей точки. Если при этом мощность на выходе прибора возрастает, то положение рабочей точки меняется в этом направлении при последующем шаге. Таким образом непрерывно оптимизируется нагрузочная характеристика для отбора максимальной мощности, а также обеспечивается возможность регулировки в широком динамическом диапазоне и формирования импульсов тока, способных зарядить аккумуляторную батарею даже в условиях слабой освещенности. Этот достаточно простой алгоритм может быть улучшен запоминанием часто повторяющихся направлений смещения рабочей точки (для устранения шагов смещения в ложных направлениях), что бывает важно в условиях быстро меняющейся освещенности. На выходе регулятора формируются импульсы постоянного тока, ширина и частота следования которых зависят от мощности, производимой солнечной батареей в данный момент. При этом, если рабочее напряжение нагрузки ниже, чем рабочее напряжение модуля, то можно получать большие значения токов в нагрузке, чем ток короткого замыкания батареи. Нужно учитывать, что регуляторы имеют КПД 0,85-0,95.

3.3 АККУМУЛЯТОРНЫЕ В СИСТЕМЕ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ

Выработанную солнечной батареей энергию можно сохранять в разных формах:

• химическая энергия в электрохимических аккумуляторах;
• потенциальная энергия воды в резервуарах;
• тепловая энергия в тепловых аккумуляторах;
• кинетическая энергия вращающихся масс или сжатого воздуха.

Для солнечных батарей больше подходят электро-аккумуляторы, так как солнечные батареи производят, а потребитель потребляет электроэнергию, которая непосредственно и запасается в аккумуляторе. Исключение — солнечные станции для водоснабжения, где потребляется вода, а энергия запасается в потенциальной энергии воды в водонапорной башне.

В большинстве фотоэлектрических систем применяют свинцово-кислотные аккумуляторы. Нужно сразу подчеркнуть, что аккумуляторы специально предназначенные для солнечных батарей (и других подобных систем), существенно отличаются от стартерных автомобильных аккумуляторов, пусть даже имеющих в основе туже технологию.

Главными условиями по выбору аккумуляторов являются:

• стойкость к циклическому режиму работы;
• способность переносить без последствий глубокий разряд;
• низкий саморазряд аккумулятора;
• некритичность к нарушению условий зарядки и разрядки;
• долговечность;
• простота в обслуживании;
• компактность и герметичность (важный критерий для переносных или периодически демонтируемых солнечных батарей).

Этим требованиям в полной мере удовлетворяют аккумуляторы, изготовленные по технологиям «dryfit» и AGM (адсорбированный электролит) или рекомбинационной технологии. Они характеризуются отсутствием эксплуатационных затрат и перекрывают диапазон емкостей 1-12000 А•ч, что позволяет удовлетворять требованиям всех потребителей. Эти аккумуляторы отличаются пониженным газовыделением и рекомбинацией кислорода. Вследствие этого вода электролита не электролизуется и не испаряется, и такие аккумуляторы не требуют доливки электролита. К примеру, аккумуляторы одной из фирм с трубчатыми положительными пластинами, имеют

• большой срок службы -15 лет;
• стойкость к циклическому режиму — более 1200 циклов;
• отсутствие необходимости обслуживания в течение всего срока службы;
• минимальное газовыделение (благодаря применению сплава без сурьмы и использованию технологии внутренней рекомбинации газа);
• саморазряд — примерно 3% в месяц.

Вследствие высокой стоимости таких аккумуляторов, появляется желание использовать обычные стартерные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (автомобильный аккумулятор).

Срок службы таких аккумуляторов в составе солнечной батареи — не более 3-5 лет. Вследствие этого за срок использования солнечной батареи (15-20 лет и более) необходимо будет менять аккумуляторы (к этому добавятся затраты на обслуживание аккумуляторов и оборудование помещений).

С целью получения требуемого рабочего напряжения аккумуляторы или аккумуляторные батареи соединяют последовательно. При этом следуют определенным правилам:

• используют аккумуляторы только одного типа, произведенные одним изготовителем;
• эксплуатируют все аккумуляторы одновременно, не делая отводов от отдельных аккумуляторов составляющих аккумуляторную батарею;
• не объединяют аккумуляторы с разницей в дате выпуска более чем на месяц в одну аккумуляторную батарею;
• обеспечивают разницу температур отдельных аккумуляторов не более 3°С.

Ради продления срока службы аккумуляторов при циклическом режиме работы в солнечных батареях важно не допускать глубокого разряда. Уровень разряда характеризуется глубиной разряда, которая выражается в процентах от номинальной емкости аккумулятора. На рисунке 5 изображена зависимость емкости аккумулятора (в процентах от номинальной) от количества отработанных циклов при различной глубине разряда (аккумуляторы FIAMM GS).

Таким образом, эксплуатация аккумуляторов при глубоком разряде ведет к их более частой замене и, соответственно, к удорожанию системы. Глубину разряда аккумуляторов солнечных батарей стараются ограничить на уровне 30-40%, что достигается отключением нагрузки (или снижением мощности) либо использованием аккумуляторов большей емкости.

Рис.5. Зависимость емкости аккумулятора от количества отработанных циклов при различной глубине разряда

Вследствие этого, для управления процессом зарядки и выбора оптимального режима, в состав солнечной электростанции обязательно включают контроллеры зарядки-разрядки аккумуляторной батареи.

3.4 РЕГУЛЯТОРЫ ЗАРЯДКИ И РАЗРЯДКИ АККУМУЛЯТОРОВ

Стоимость регулятора заряда составляет не выше 5% от стоимости всей системы (однако от качества зарядных регуляторов зависит то, как часто придется менять аккумулятор).

Чтобы предохранить батарею от избыточной разрядки, нагрузка должна быть отключена, когда напряжение батареи опускается ниже напряжения отключения. Нагрузка не должна подключаться до момента, когда напряжение не возрастет до определенного значения (напряжения подключения).

Имеются довольно противоречивые стандарты этих значений. Они зависят от конструкции определенных батарей, производственного процесса и срока службы аккумуляторных батарей. В некоторых моделях регуляторов применяется звуковой сигнал, который сообщает пользователю о скором отключении питания.

Чтобы защитить батарею от перезарядки надо ограничить зарядный ток при достижении напряжения завершения зарядки. Напряжение начнет снижаться, пока не достигнет другого порога, называемого напряжением возобновления заряда. Небольшие солнечные электростанции имеют склонность к перепотреблению энергии (а не к перезарядке) вследствие этого допускается перезарядка, и при этом нужно применять более высокое напряжение завершения заряда.

Выше изложенное относится к регуляторам для автономных солнечных электростанций небольшой мощности (до 1кВт).

У более мощных системах солнечных батарей функции контроля зарядки и разрядки берет на себя системный контроллер (управляющий также всей системой).

Как правило это устройство сопряжено с компьютером (осуществляющим к тому же постоянный мониторинг за работой элементов с записью значений освещенности, температуры, тока и напряжения для дальнейшего анализа).

3.5 ИНВЕРТОРЫ

Солнечный генератор (каким бы сложным и большим он не был) может вырабатывать лишь постоянный ток. К счастью, имеется много потребителей, использующих именно постоянный ток (зарядка аккумуляторов, освещение, радиоаппаратура и т.д.), но потребителей переменного напряжения 220В ни меньше. Для преобразования постоянного тока аккумуляторной батареи в переменный синусоидальной формы, нужен инвертор.

Инверторы — полупроводниковые приборы. Они могут быть поделены на три типа в соответствии с типом фотоэлектрических систем:

1)Солнечные модули

Инвертор/Контроллер заряда

Сеть

4) Нагрузка постоянного или переменного тока (при использовании инвертора)

Сетевой (grid-tie, on-grid) инвертор предназначен для солнечных ФЭС, подающих электроэнергию в основную сеть (например, внутреннюю сеть предприятия или внешнюю сеть энергоснабжающей организации).

Идеально подходят для продажи электроэнергии в сеть или компенсации части энергозатрат в дневное время. Отличительная особенность — наличие синхронизации с основной сетью. В случае исчезновения напряжения в сети инвертор в целях безопасности отключит подачу электроэнергии. По сравнению с автономными и гибридными сетевые инверторы дешевле и проще в устройстве.

б)Автономные инверторы

Солнечные модули

2)Инвертор/Контроллер заряда

Блок АКБ

4)Нагрузка постоянного или переменного тока (при использовании инвертора)

Автономный (off-grid, задающий) инвертор предназначен для солнечных ФЭС, действующих в рамках автономных энергонезависимой системы (например, автономное питание жилого дома).

Такой инвертор не нуждается во внешней сети, а самостоятельно задает её параметры. Зачастую, в его составе сразу предусмотрен контроллер заряда аккумуляторных батарей, чтобы выработанную днём электроэнергию запасать и отдавать потребителю, когда солнца нет. Так же возможно наличие дополнительных входов под дополнительные источник электроэнергии (например, дизель-генератор, ветрогенератор) с функцией программируемого взаимодействия с ними: включение и отключение по необходимости, совместное использование. Автономные инвертора имеют более сложную структуру и, поэтому, имеют более высокую стоимость по сравнению с сетевыми. Так же наличие аккумуляторов значительно удорожает системы автономного питания. Как правило, вопрос окупаемости таких систем не стоит, т.к. их основная цель — энергонезависимость (автономность), а не окупаемость вложений по сравнению с подключением к основной сети.

в)Гибридные инверторы

1)Солнечные модули

Инвертор/Контроллер заряда

Блок АКБ

Сеть

5)Нагрузка переменного тока

Гибридный инвертор — инвертор, который для питания нагрузки может использовать как основную сеть, так и энергию аккумуляторов, заряжаемых от альтернативного источника. Контроллер заряда может быть как встроенный, так и внешний. По уровню и функциональности гибридные инвертора можно условно разделить на три группы. Выходной каскад у всех типов во многом похож, а основное отличие в схеме управления. Первый тип имеет генератор частоты, а второй должен работать синхронно с промышленной сетью (и в качестве генератора частоты использует саму сеть).

Для всех типов ключевой параметр — КПД (который должен быть более 90%).

Выходное напряжение автономных инверторов как правило составляет 220В (50/60 Гц), а в инверторах мощностью 10-100кВт можно получать трехфазное напряжение 380В. Все автономные инверторы трансформируют постоянный ток аккумуляторных батарей. Вследствие этого входное напряжение выбирается из ряда 12, 24, 48 и 120В. Чем больше входное напряжение, тем проще инвертор и тем выше его КПД. При больших напряжениях существенно меньше потери на передачу энергии от солнечного генератора к аккумуляторной батарее, регулятору зарядки и инвертору, однако при этом усложняется конструкция солнечной электростанции и ее эксплуатация при опасных напряжениях (выше 40 В).

К форме выходного сигнала автономных инверторов предъявляются менее жесткие требования. В ряде случаев (если позволяет нагрузка) возможно использование инверторов с трапециевидным выходным сигналом. Такие инверторы стоят в 2-3 раза дешевле инверторов с синусоидальным выходным сигналом. Важный параметр автономных инверторов — зависимость КПД от мощности подключенной нагрузки. КПД не должен значительно снижаться при подключении нагрузки в десять раз меньшей (по потребляемой мощности), чем номинальная мощность инвертора. Вместе с тем инвертор должен выдерживать перегрузки в выходных цепях (при подключении электродвигателей и прочих динамичных нагрузок).

Таким образом, к автономному инвертору предъявляются

• способность переносить без последствий перегрузки (как кратковременные, так и длительные);
• маленькие потери при малых нагрузках и на холостом ходу;
• стабилизация выходного напряжения;
• низкий коэффициент гармоник;
• высокий КПД;
• отсутствие помех на радиочастотах.

Иностранные фирмы предлагают широкий ассортимент инверторов, специально разработанных для солнечных батарей. Такие инверторы уже имеют блок регулятора отбора максимальной мощности, блок регулятора заряда, а также дополнительный вход подключения дизель-генератора (для экстренной подзарядки аккумуляторной батареи).

К выходному сигналу сетевых инверторов предъявляются наиболее жесткие требования. Для понижения потерь на преобразование такие инверторы работают при высоких входных напряжениях. Поскольку их входные цепи запитываются напрямую от солнечной батареи, инверторы имеют регулятор отбора максимальной мощности (встроенный в инвертор).

Сетевые инверторы имеют также блок контроля мощности солнечной батареи (и включаются автоматически, как только мощность солнечной батареи становится достаточной для формирования переменного сигнала).

Литература

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/termoelektricheskie-generatoryi/

1. Иоффе А. Ф., Стильбанс Л. С., Иорданишвили Е. К., Ставицкая Т. С. Термоэлектрическое охлаждение. М.-Л.: Изд. АН СССР, 1956.

• Бурштейн А. И. Физические основы расчета полупроводниковых термоэлектрических устройств. М.: Физматгиз, 1962.
• Голдсмит Г.

Применения термоэлектричества / Пер. с англ. под ред. А. Ф. Чудновского. М.: Физматгиз, 1963.

• Кораблев В. А., Тахистов Ф. Ю., Шарков А. В. Прикладная физика. Термоэлектрические модули и устройства на их основе: Учебное пособие / Под ред. проф. А. В. Шаркова. СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2003.
• Иоффе А.

Ф. Полупроводниковые термоэлементы. М.-Л., Изд-во АН СССР, 1956-1960.

• Охотин А. С., Ефремов А. А., Охотин В. С., Пушкарский А. С. Термоэлектрические генераторы. М.: Атомиздат, 1971.
• Иорданишвили Е.

К. Термоэлектрические источники питания. М.: Советское радио, 1968.

— Баукин В. Е., Вялов А. П., Гершберг И. А., Муранов Г. К., Соколов О. Г., Тахистов Ф. Ю. Оптимизация термоэлектрических генераторов большой мощности // Термоэлектрики и их применения. Доклады VIII Межгосударственного семинара (ноябрь 2002 г.).

СПб: ФТИ, 2002.

• Тахистов Ф. Ю., Гершберг И. А. Оптимизация параметров термоэлектрического генераторного модуля с учетом эффективности теплообмена на сторонах модуля // Термоэлектрики и их применения. Доклады XI Межгосударственного семинара. СПб: ФТИ, 2008.
• Ерофеев Р.

С. Влияние термоэлектрических явлений на тектонические процессы и климат Земли // Термоэлектричество. 2010. № 1.

• Шостаковский П. Современные решения термоэлектрического охлаждения для радиоэлектронной, медицинской, промышленной и бытовой техники // Компоненты и технологии. 2009. № 12. 2010. № 1.
• Васильев А.М., Ландсман А.П.

Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Сов. радио, 1971.

• Алферов Ж.И. Фотоэлектрическая солнечная энергетика / В сб.: Будущее науки. М.: Знание, 1978. С. 92 — 101.
• Колтун М.М.

Оптика и метрология солнечных элементов. М.: Наука, 1985.

• Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989.
• Колтун М.М.

Солнечные элементы. М.: Наука, 1987.

17. Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984.