Применение солнечных панелей для солнечных электростанций

Применение солнечных панелей для солнечных электростанций

59
0

Применение солнечных панелей для солнечных электростанцийПростейший фотоэлектрический элемент состоит из двух слоев полупроводника, изолированных друг от друга. Под воздействием солнечного света электроны выбиваются из одного слоя элемента во второй, в результате чего возникает постоянное напряжение порядка долей вольта. Это напряжение слабо зависит от геометрических размеров элемента, поэтому для достижения достаточного выходного напряжения фотоэлектрические элементы соединяют последовательно. Солнечная панель, или модуль, состоит из десятков элементов общей пиковой выходной мощностью порядка сотни ватт. Следствием такого решения является опасность частичного затенения элементов панели, потому что напряжение затененных элементов уменьшается, и они начинают играть роль паразитной нагрузки. При проектировании солнечных электростанций расчету возможного затенения уделяют большое внимание.

Одним из основных параметров фотоэлектрических панелей является коэффициент фотоэлектрического преобразования (КФП), то есть отношение выходной электрической мощности к мощности падающего излучения. Поскольку солнечные панели предназначены для преобразования энергии излучения в электрическую, то эту величину можно понимать как КПД солнечной панели. Часть солнечной энергии, не преобразованная в электрическую, частично уходит с проникающим и отраженным излучением, но в основном расходуется на нагрев солнечной панели.

Применение солнечных панелей для солнечных электростанцийВсе современные промышленные фотоэлектрические элементы выполняют на основе кремния как наиболее дешевого материала, поскольку пока не удалось добиться большего КФП при применении более дорогостоящих материалов. В настоящее время применяют три технологии производства промышленных солнечных панелей:

— тонкопленочную;
— монокристаллическую;
— поликристаллическую.

Тонкопленочная технология обеспечивает минимальную себестоимость производства панелей. Гибкая пленочная основа позволяет просто раскатать элементы по поверхности, например, крыши, и не требует дорогостоящих опорных конструкций. Также тонкопленочные элементы не требуют прямых солнечных лучей, работают при рассеянном излучении, благодаря чему при некоторых условиях суммарная вырабатываемая ими за год энергия может оказаться больше, чем для кристаллических солнечных панелей. Тем не менее, КФП таких панелей существенно меньше, чем кристаллических, и достигает не более 16%. Кроме того, тонкопленочные элементы имеют существенный недостаток — быстрое старение. В зависимости от внешних условий эффективность тонкопленочных панелей может снизиться вдвое в течение нескольких лет эксплуатации.

Монокристаллические солнечные панели позволяют достигнуть максимального КФП для современных промышленных панелей — до 25%, и могут эксплуатироваться не менее 20 лет без значительного снижения этого показателя. Однако это наиболее дорогостоящая технология; кроме того, эффективность монокристаллических элементов резко снижается при отклонении направления солнечных лучей от перпендикуляра к поверхности панели, что не позволяет достигнуть хорошей эффективности при рассеянном излучении. Таким образом, для реального обеспечения на практике столь высокого КФП необходимо устанавливать такие панели в местах с большим количеством солнечных дней в году и применять дорогостоящие автоматические системы слежения за направлением на Солнце.

Поликристаллические солнечные панели обеспечивают КФП до 20% при стоимости меньшей, чем монокристаллические, и у них ожидаемый срок эксплуатации также не менее 20 лет. Кроме того, их эффективность не так сильно зависит от угла падения солнечных лучей, поэтому в современных солнечных электростанциях промышленного масштаба наиболее часто применяется именно эта технология со стационарным креплением на земле или крыше. Различные типы солнечных панелей показаны на рисунке.

Помимо КФП, основными параметрами фотоэлектрической панели являются величины, определяющие ее вольтамперную характеристику, такие как ток короткого замыкания (1кз) и напряжение «холостого хода» (Uxx), а также температурные коэффициенты изменения этих величин.
Электрический режим работы солнечной панели в каждый момент времени характеризуется точкой на вольтамперной характеристике, соответствующей мгновенным значениям тока и напряжения. Мгновенная выходная мощность, равная произведению тока и напряжения предоставлена на вольтамперной характеристике как площадь, ограниченная осями координат и прямыми, соответствующими мгновенным значениям тока и напряжения. Оказывается, что, зная параметры вольтамперной характеристики солнечной панели, можно найти на ней такую точку, что эта площадь, а значит, и выходная мощность будут максимальными. Такую точку называют МРР (англ. сокращение от maximum power point — точка максимальной мощности), а соответствующий ток и напряжение обозначают lmpp и Umpp. Для достижения такого режима работы достаточно отрегулировать сопротивление нагрузки солнечной панели так, чтобы оно было равно Umpp/Impp.

Применение солнечных панелей для солнечных электростанцийДля современных промышленных панелей 1КЗ составляет порядка единиц ампер, а Uxx — порядка единиц вольт, поэтому для оптимизации процесса преобразования энергии солнечные панели собирают в последовательные цепочки, которые затем соединяют параллельно. Современные промышленные инверторы для солнечных электростанций выполняют преобразование в переменный ток при входном постоянном напряжении до 700 В и более. При последовательно-параллельном включении солнечных панелей суммарную вольтамперную характеристику можно получить путем наложения вольтамперных характеристик всех панелей. На рис.4 показан пример вольтамперной характеристики двух цепочек из четырех панелей, включенных параллельно.
Вольтамперная характеристика фотоэлектрического элемента не постоянна и зависит от плотности потока излучения, падающего на элемент, а также от температуры самого элемента.

Применение солнечных панелей для солнечных электростанций

Напряжение «холостого хода» фотоэлектрического элемента слабо зависит от плотности потока излучения, в то время как ток заметно растет при росте плотности потока излучения. Таким образом, при изменении плотности потока излучения точка максимальной мощности (МРР) на вольтамперной характеристике смещается вдоль токовой оси.
Напряжение «холостого хода» фотоэлектрического элемента слабо зависит от плотности потока излучения, в то время как ток заметно растет при росте плотности потока излучения. Таким образом, при изменении плотности потока излучения точка максимальной мощности (МРР) на вольтамперной характеристике смещается вдоль токовой оси.

С ростом температуры солнечного элемента, наоборот, ток остается почти неизменным, но заметно уменьшается выходное напряжение, что приводит к существенному снижению выходной мощности при росте температуры солнечных панелей.
Таким образом, максимальная выработка электроэнергии возможна, когда плотность потока излучения максимальна, а температура минимальна. Очевидно, эти условия противоречат друг другу, поскольку высокая плотность потока излучения приводит к быстрому нагреву солнечной панели. Кроме того, инверторы для солнечных электростанций работают с высоким КПД лишь в определенном диапазоне входного постоянного напряжения, поэтому от диапазона рабочих температур солнечных панелей зависит выбор количества солнечных панелей, соединяемых в цепочки последовательно. Оба эти факта следует учитывать при проектировании для реализации максимальной эффективности солнечных электростанций. Принципы такого проектирования в данной статье не рассматриваются.

Применение солнечных панелей для солнечных электростанций

Современные промышленные инверторы для солнечных электростанций управляются встроенными микропроцессорными контроллерами, обеспечивающими максимальную эффективность. Инверторы такого класса производятся лишь несколькими мировыми производителями, в том числе компанией Schneider Electric. Такие инверторы, как Xantrex GT250E, GT500E и GT630E, предназначены именно для реализации высокоэффективных решений для промышленных солнечных электростанций. Благодаря длительным исследованиям для таких инверторов было разработано программное обеспечение, реализующее высокоэффективное динамическое отслеживание МРР путем быстродействующего регулирования сопротивления нагрузки солнечных батарей, в результате чего в каждый момент времени инвертор обеспечивает максимальную входную мощность. Такая технология называется МРРТ (англ. сокращение от maximum power point tracking — отслеживание точки максимальной мощности). Для настройки микропроцессорного контроллера инвертора следует лишь ввести в него основные параметры солнечных батарей, подключенных к инвертору, после чего контроллер сам вычисляет параметры алгоритма МРРТ. 

Автор: Анатолий Прищенко ООО «Шнейдер Электрик Украина»
Материал прислан: Андреем Тищенко, г.Киев. Украина.

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ