Fotoelektra
5 (100%) 1 vote

Fotoelektra

Turinys

Įžanga 3

Saulės energijos charakteristika 4

Saulės elektrinės 4

Saulės elektrinių tipai ir sandara 4

Fotoelektriniai moduliai 5

Fotoelektrinių modulių charakteristikos 6

Akumuliatorių baterija 7

Inverteris 8

Energijos gamybos saulės elektrinėse ypatybės 8

Lietuvos saulės energijos ištekliai 9

Fotoelektros naudojimas Lietuvoje 11

Mokslo tyrimai ir taikymas 12

Saulės šilumos panaudojimas 13

Fotelektros plėtros perspektyvos 14

Išvados. 17

Literatūra 18

Įžanga

Saulė yra milžiniškas energijos šaltinis. Kas sekundę saulėje 5mln. Tonų masė virsta energija. Tik maža energijos dalis pasiekia žemę, tačiau ji dešimtis tūkstančių kartų viršija mūsų poreikius. Metiniams žmonijos energijos poreikiams patenkinti užtektų per kelias valandas žemės paviršių pasiekiančios energijos. Reikia tik mokėti ja pasinaudoti.

Viena geičiausiai pasaulyje besivystančių energetikos rūšių yra fotoelektra, paremta tiesioginiu saulės šviesos vertimu į elektros energiją. Fotoelektrinių keitiklių istorija prasidėjo 1839 m., prancūzų mokslininkui E.Becquerelui atradus fotoelektrinį efektą. 1958 m. JAV kosminiuose palydovuose buvo įrengti fotoelektriniai moduliai, kurie aprūpindavo elektra radijo ryšio aparatūrą. Nuo tada fotoelektra kosmose tapo vieninteliu ir nepakeičiamu energijos šaltiniu. Plačiau fotoelektrą buityje pradėta naudoti po 1973-74 m. naftos krizės. Paskutinius penkis metus fotoelektrinių modulių gamyba Pasaulyje augo vidutiniškai po 33 proc. kasmet ir 2001 m. pagamintų modulių bendra galia sudarė 410 MW (1 diagrama). Dar greitesni augimo tempai planuojami artimiausiais metais. Nors saulė yra pats galingiausias atsinaujinančios energijos šaltinis Žemėje. Apskaičiuojama, kad teorinis metinis pasaulio saulės energijos potencialas sudaro 900 000 000 TWh ir yra apie 60 kartų didesnis už teorinį metinį pasaulio vėjo energijos potencialą, apie 2 200 kartų didesnis už teorinį metinį geoterminės energijos potencialą, apie 4 500 kartų – už biomasės ir apie 36 000 kartų – už hidroenergijos teorinius metinius pasaulio potencialus. Nepaisant tokio didumo, saulės energijos potencialas elektrai ir šilumai gaminti kol kas naudojamas mažiausiai. Tokia padėtis susiklostė neatsitiktinai: pati saulės energija yra išsisklaidžiusi, silpnai koncentruota, o jos parametrai stochastiškai kinta plačiose ribose priklausomai nuo paros ir metų laiko. Dėl šių priežasčių ankstyvesnių galimybių efektyviai naudoti saulės energiją netgi šilumai gaminti nesusidarė. Kad saulės spindulinę energiją būtų galima pradėti efektyviai naudoti elektrai gaminti tiesiogiai (naudojant tik vieną energijos konversijos pakopą), mokslas ir technologijos turėjo pasiekti pakankamai aukštą lygį. Reikėjo atrasti fotoelektros reiškinį, išrasti ir pakankamai ištobulinti fotoelektrinius keitiklius ir sukurti pakankamai efektyvias iš saulės gautos elektros energijos konversijos technologijas, kurios užtikrintų stabilių standartinių parametrų energijos tiekimą bet kuriuo paros metu. Fotoelektriniai keitikliai buvo išrasti tik prieš 50 metų (1954), tuo tarpu kai ženkliai paprastesnės biomasės kuro deginimo, vandens ir vėjo energijos naudojimo technologijos buvo kuriamos ir naudojamos šimtmečiais ir tūkstantmečiais. Dėl to pastarieji atsinaujinančiosios energijos šaltiniai šiuo metu naudojami kur kas daugiau. Laikui bėgant fotoelektros srityje padaryta didelė pažanga. Per tuos 50 metų, prabėgusių nuo fotoelektrinių keitiklių išradimo, jie buvo labai patobulinti, ženkliai padidėjo jų naudingo veikimo koeficientai, daug kartų atpigo jų gamybos technologijos. Šis procesas sparčiai tęsiasi ir toliau ta pačia kryptimi, todėl neabejojama, kad energijos savikainos srityje saulės elektrinės gana greitai galės konkuruoti su mažosiomis hidroelektrinėmis.

Saulės energijos charakteristika

Per metus viršutinę Žemės atmosferos ribą pasiekia 5,6×1024 J saulės energijos srautas. Žemės atmosfera atspindi 35% šios energijos atgal į kosmosą, o likusi energija sušildo žemės paviršių, naudojama garavimo – kritulių cikle, bangų, vėjo, oro ir vandenyno srovių susidarymui. Metinis, pasiekiančios žemę, saulės energijos kiekis yra 1,05×1018 kWh, sausumai tenka 2×1017 kWh. Be ekologinio pakenkimo aplinkai galima panaudoti 1,5% (1,62×1016 kWh/)m2. Tai ekvivalentu 2×1012 t sąlyginio kuro. Visas šiuo metu išgaunamas pasaulyje organinis kuras taip pat susidarė fotosintezes reakcijų metu, veikiant saulės energijai. Saulės radiacijos srautas žemės paviršiuje pasiskirsto labai netolygiai. Vidutinis srauto tankis yra 210 – 250 W/m2 subtropiniuose rajonuose ir dykumose, 130 – 210 W/m2 vidutinėse platumose ir 80 – 130 W/m2 šiaurėje.

Saulės elektrinės

Saulės elektrinių tipai ir sandara:

Saulės elektrinės gali būti autonominės, kurios pagaminta energija naudojama tiktai sodybos, ūkio, salos ar kito atskiro objekto vietiniame elektros tinkle, arba integruotosios (įjungtos) į energetikos sistemos elektros tinklą. Autonominės saulės mikroelektrinės struktūra pavaizduota 1 paveikslėlyje, o integruotosios – 2 paveikslėlyje.

1 pav. Autonominės saulės mikroelektrinės struktūrinė schema

Kaip parodyta 1
paveikslėlyje, autonominė saulės elektrinė (jei mažos galios, galima vadinti mikroelektrine) būtinai turi turėti fotoelektrinius modulius, kurie šioje schemoje pažymėti FEM1-FEM6. Be to, saulės elektrinė dažniausiai turi elektros energijos kaupiklį, kurio funkciją dažniausiai atlieka specialūs reikiamos įkrovos talpos akumuliatoriai. Jame elektros energija sukaupiama tam atvejui, kai nešviečia arba silpnai šviečia saulė. Jeigu yra akumuliatorių baterija, norint efektyviai išnaudoti fotoelektrinius modulius ir tinkamai eksploatuoti tą bateriją (pavyzdžiui, apsaugoti nuo perkrovimo) reikalingas ir akumuliatorių įkroviklis. Inverteris reikalingas, jeigu reikia turėti ne tik nuolatinės, bet ir kintamosios srovės elektros energiją. Jei elektrinės galia didesnė, naudojama įvadinė spintelė, kurioje gali būti sumontuoti apsaugos aparatai ir elektros energija paskirstoma imtuvams.

2 pav. Integruotosios saulės elektrinės struktūrinė schema

Autonominės saulės elektrinės dažniausiai būna nedidelės galios – paprastai nuo keliasdešimt vatų iki kelių kilovatų. Galingesnės saulės elektrinės, jeigu vietovėje yra energetikos sistemos elektros tinklas, jungiamos į tą tinklą. Tuomet, kaip parodyta 2 paveikslėlyje, integruotajai saulės elektrinei nereikalingas energijos kaupiklis (akumuliatorių baterija) ir akumuliatorių įkroviklis. Visą arba tam tikrą dalį pagaminamos elektros energijos dienos metu tokia saulės elektrinė per tinklo inverterį tiekia tiesiai į elektros tinklą. Kai saulė nešviečia arba kai silpnai šviečia, naudojama elektros tinklo energija. Galingosios pramoninės saulės elektrinės, kurių galia siekia nuo šimtų kilovatų iki 10 MWp (Vokietijoje) būna tiktai integruotos į energetikos sistemos elektros tinklą. Jos šiuo metu pagamina daugiau kaip 80 % visos pasaulio fotoelektros, kurios didžiąją dalį (apie 90 %) gamina Japonija, JAV ir Europa (ES).

Didžiąją saulės elektrinės kainos dalį sudaro fotoelektrinių modulių kaina, kuri priklausomai nuo elektrinės tipo (autonominė ar integruota į energetikos sistemos elektros tinklą) ir nuo pačių fotoelektrinių modulių tipo sudaro apie 40-60 % nuo visos elektrinės kainos. Likusiąją elektrinės kainos dalį sudaro energijos kaupiklio (jis būtinas autonominės elektrinės atveju), kaupiklio įkroviklio, inverterio, komutavimo ir valdymo aparatų, norimų turėti matavimo prietaisų, kabelių ir elektrinės įrengimo kaina. Taigi, jeigu minimali kristalinio silicio fotoelektrinių modulių lyginamoji kaina šiuo metu (2004 m.) yra apie 3 $/Wp, tai visos įrengtos saulės elektrinės lyginamoji 1 Wp kaina gali būti ne mažiau kaip dvigubai didesnė. Priklausomai nuo pasirinkto jos sandaros varianto, šiuo metu ji gali sudaryti maždaug nuo 7 iki 10 $/Wp

Fotoelektriniai moduliai

Saulės šviesa į elektrą verčiama puslaidininkiniuose saulės elementuose, tačiau specialiai tam neparuošti jie tiesiogiai negali būti naudojami lauko sąlygomis. Monokristalinio silicio elementai yra trapūs, neatsparūs drėgmei, sunkiai valomi. Be to, elementas generuoja tik 0,5 V nuolatinę įtampą, kuri mažai kur tinka. Praktikoje naudojamos nuosekliai sujungtų 30 – 40 (dažniausiai 36) elementų baterijos, hermetizuotos skaidrioje, aplinkai atsparioje medžiagoje. Tokie gaminiai jau vadinami fotoelektriniais moduliais. Fotoelektriniai moduliai yra svarbiausioji saulės elektrinės dalis. Jie yra vienintelė elektrinės dalis, kuri išlieka visais atvejais visuose galimuose variantuose. Kitų elektrinės dalių poreikis sprendžiamas sudarant struktūrinę schemą konkrečiam atvejui priklausomai nuo vartotojo poreikių.

Pastatuose dažniausiai naudojami 12V, 24V ir 48V darbo įtampos moduliai. Jų galia dažniausiai būna nuo 15 Wp iki 300 Wp. Reikiama didesnė jėgainės galia gaunama jungiant modulius į grupes. Monokristalinio silicio fotoelektriniai moduliai tarnauja virš 30 metų ir jiems suteikiama 20 metų garantija. Polikristalinio ir amorfinio silicio moduliams suteikiama iki 10 metų garantija. Pigiausi yra amorfinio silicio moduliai, tačiau jų tarnavimo laikas trumpiausias ir generuojama galia iš ploto vieneto mažiausia. Tokius modulius tikslinga naudoti greičiausiai vartotojui atsiperkančiose valstybės subsidijuojamose su elektros tinklu sujungtose jėgainėse. Lietuvos sąlygomis, kai nėra subsidijų ir mažos galios pastato jėgainės prijungimas prie išorinio elektros tinklo labai problematiškas, tikslingiausia naudoti ilgaamžius monokristalinio silicio fotoelektrinius modulius. Tokių modulių kaina pas gamintoją svyruoja nuo maždaug nuo 4 iki 5 JAV $/Wp. Importuojamų modulių kaina gerokai išauga dėl transporto ir muitinės išlaidų.

Taip pat gaminami specialios konstrukcijos, integruojami su statybinėmis konstrukcijomis moduliai. Šie moduliai naudojami kaip sienų ar stogų danga, pusiau skaidriam balkonų, mansardų, laiptinių įstiklinimui. Nors tokios konstrukcijos ir yra brangesnės už įprastinius modulius, tačiau šiuo atveju atkrinta papildomų palaikančių ir tvirtinimo konstrukcijų reikalingumas, dalį modulių instaliacijos darbų galima traktuoti kaip pastato statybos ir apdailos darbus. Europos ir Japonijos praktika rodo, kad toliu atveju bendros statybos ir modulių kainos sumažėjimas siekia 1,5 – 0,7 JAV $/Wp. 1996m pradėtos gaminti kombinuotos fotoelektrinės/terminės sistemos,
naudoti kaip stogų dangos. Šiose sistemose šilumos kolektorius jungiamas su saulės elementais. Tokio tipo privataus būsto jėgainė leidžia gaminti 3,2 kWp elektros energijos ir 25 kW šiluminės energijos. Keletas kompanijų (ASE Vokietijoje , Solarex JAV) , prisitaikydamos prie architektų reikalavimų , gamina įvairių spalvų ir atspalvių saulės elementus ir modulius.

Fotoelektrinių modulių charakteristikos

Žinant FEK veikimo principą, galima sudaryti analogiškai veikiančią jo atstojamąją elektrinę schemą. Idealaus FEK atstojamoji elektrinė schema pateikta 1 paveikslėlyje. Analogišką schemą galima sudaryti ir fotoelektriniams moduliams, sudarytiems iš FEK. Šią schemą sudaro ekvivalentinis srovės šaltinis J, kurio srovė IF priklauso nuo apšvietos Ej ir ekvivalentinis diodas D, kurio p–n sandūros varža priklauso nuo apkrovos varžos RA ir temperatūros T. Kai RA = 0, tai ir U = 0 ir FEK veikia trumpojo jungimo režimu. Per diodą D dėl didelės jo p–n sandūros varžos srovė ID tokiomis sąlygomis dar neteka.

1 pav. Idealaus FEK atstojamoji schema.

Didinant apkrovos varžą RA, didėja įtampa U ir FEK arba visas FEM pradžioje veikia srovės šaltinio režimu iki tol, kol apkrovos galia pasiekia didžiausią vertę. Šiame taške apkrovos varža yra lygi FEM vidaus varžai. 2 paveikslėlyje pateikta FEM voltamperinių charakteristikų šeima. Jame šias maksimalios galios vertes žymi tiesės Pmax = f(U) ir FEM voltamperinių charakteristikų I = f(U) šeimos susikirtimo taškai 1, 2 ir 3. Didinant apkrovos varžą RA, didėja įtampa U ir mažėja diodo p–n sandūros varža. Todėl didėja diodo srovė ID . FEK (FEM) veikia įtampos šaltinio režimu.

Praktikoje FEM voltamperinės charakteristikos taškas yra labai svarbus. Norint, kad modulis elektros apkrovai atiduotų maksimalią galiai esant kiekvienai apšvietos vertei (kuri, kaip žinome, kinta plačiose ribose), reikia nuolat reguliuoti jo apkrovos varžą taip, kad ji visais atvejais būtų lygi FEM vidaus varžai, kuri kinta priklausomai nuo apšvietos. Šią funkciją automatiškai atlieka galios maksimizatoriai.

2 pav. FEM voltamperinės charakteristikos esant skirtingoms apšvietoms E

Kai RA = (begalybei), apkrovos srovė IA = 0. Šiuo atveju turime FEM tuščiosios veikos režimą, kai generuojama elektrovara Uo. FEM voltamperinių charakteristikų taškai 1,2,3 (2 pav.), kuriuose apkrovos galia pasiekia didžiausią vertę, vadinami suderintojo darbo režimo taškais. Šie taškai turi įdomią savybę: kai FEK dirba suderintuoju darbo režimu, jo vidinė varža yra lygi apkrovos varžai RA. FEM vidinė varža kinta priklausomai nuo apšvietos E. Panagrinėję FEM voltamperines charakteristikas matome, kad jos turi tris ypatingus (charakteringus) taškus: trumpojo jungimo, suderintojo darbo režimo ir tuščiosios veikos. Šių taškų parametrai, išmatuoti, kai apšvieta lygi 1 Saulei (1000 W/m2), pateikiami FEM pasuose.

Pažymėtina, kad FEM voltamperinių charakteristikų pobūdis priklauso nuo temperatūros. Didėjant temperatūrai, FEM elektrovara kiek mažėja, o trumpojo jungimo srovė šiek tiek

Akumuliatorių baterija

Akumuliatorių baterija kaip energijos kaupiklis yra viena iš būtinų autonominės fotoelektrinės jėgainės dalių. Akumuliatoriuose sukaupiama šviesiu paros metu generuojama elektros energija, kad vėliau ją galima būtų naudoti tamsiu metu, kai moduliai neveikia. Reikiama akumuliatorių baterijos talpa parenkama kiekvienam konkrečiam atvejui. Akumuliatoriaus talpos parinkimas yra svarbi autonominių jėgainių projektavimo problema. Jei talpa per didelė – iššvaistomos lėšos, o be to, fotoelektriniai moduliai gali būti nepajėgūs pilnai įkrauti akumuliatorių. Kai akumuliatorių talpa per maža, neišnaudojama galimybė sukaupti didesnes energijos atsargas, nevisiškai išnaudojama fotoelektrinių modulių galia. Priklausomai nuo numatomo jėgainės naudojimo režimo ir būtino energijos tiekimo patikimumo akumuliatoriaus talpa parenkama nuo 1 Ah iki 6,5 Ah vienam fotoelektrinio modulio vatui. Pavyzdžiui, ne nuolat gyvenamuose pastatuose (sodo nameliuose, poilsinėse sodybose) pageidautina, kad akumuliatorius sukauptų visą darbo dienomis generuojamą energiją, kurią būtų galima sunaudoti per kelias savaitgalio dienas. Šiuo atveju, mažinant brangiausios saulės elektrinės dalies – fotoelektros modulių galią, galima sumažinti visos sistemos kainą. Kasdien eksploatuojamose saulės elektrinėse akumuliatorių talpa paprastai turi užtikrinti vienos ar kelių dienų generuojamą energiją. Techniškai paprasčiausia naudoti specialiai šiems tikslams skirtus gilaus iškrovimo akumuliatorius.

Šiuo metu Jūs matote 31% šio straipsnio.
Matomi 2156 žodžiai iš 6846 žodžių.
Peržiūrėkite iki 100 straipsnių per 24 val. Pasirinkite apmokėjimo būdą:
El. bankininkyste - 1,45 Eur.
Įveskite savo el. paštą (juo išsiųsime atrakinimo kodą) ir spauskite Tęsti.
SMS žinute - 2,90 Eur.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA ir įveskite gautą atrakinimo kodą.
Turite atrakinimo kodą?
Po mokėjimo iškart gausite atrakinimo kodą, kurį įveskite į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.