Прямое преобразование солнечной энергии в электричество

От недостатков, присущих машинным преобразователям, в известной степени свободны энергоустановки с так называемыми безмашинными преобразователями: термоэлектрическими, термоэмиссионными и фотоэлектрическими (солнечные батареи), непосредственно преобразующими энергию солнечного излучения в электрический ток.

Термоэлектрический метод

Термоэлектрогенераторы (ТЭГ) основаны на открытом в 1821 году немецким физиком Т.И. Зеебеком термоэлектрическом эффекте, состоящем в возникновении на концах двух разнородных проводников термо-ЭДС, если концы этих проводников находятся при разной температуре.

Открытый эффект первоначально использовался в термометрии для измерения температур. Энергетический КПД таких устройств-термопар, подразумевающий отношение электрической мощности, выделяемой на нагрузке, к подведенному теплу, составлял доли процента. Только после того, как академик А.Ф. Иоффе предложил использовать для изготовления термоэлементов вместо металлов полупроводники, стало возможным энергетическое использование термоэлектрического эффекта, и в 1940-1941 годах в Ленинградском физико-техническом институте был создан первый в мире полупроводниковый термоэлектрогенератор. В 40-50-е годы была разработана теория термоэлектрического эффекта в полупроводниках, а также синтезированы весьма эффективные (по сей день) термоэлектрические материалы.

Термоэмиссионный преобразователь (тэп)

Открытое Эдисоном явление получило название термоэлектронной эмиссии. Подобно термоэлектричеству, оно долгое время применялось в технике слабых токов. Позднее ученые обратили внимание на возможности использования метода для преобразования тепла в электричество.

Фотоэлектрический метод преобразования энергии

Солнечная батарея (рис. 5) основана на явлении внешнего фотоэффекта, проявляющегося на р-n -переходе в полупроводнике при освещении его светом. Создают р-n (или n-p) - переход введением в монокристаллический полупроводниковый материал-базу примеси с противоположным знаком проводимости. Например, в кремний вводят алюминий или литий. В результате при попадании на р-n -переход солнечного излучения происходит возбуждение электронов валентной зоны и образуется электрический ток во внешней цепи. КПД современных солнечных батарей достигает 13—15%. Наиболее перспективным для создания преобразователей СКЭС ультратонкие солнечные элементы, имеющие КПД порядка 15% при удельных характеристиках 1 кВт/м² и 200 Вт/кг. При использовании в качестве преобразователя СКЭС мощностью 10 ГВт этих солнечных батарей их площадь составила бы 50км² при весе 10 тыс.т.

4.2. Энергия ветра

Ветровая энергия представляет собой возобновляемый источник энергии, являющийся вторичным по отношению к солнечной энергии. Причиной возникновения ветра является разности температур в атмосфере, образующиеся в результате действия солнечного излучения, которые, в свою очередь, обуславливают возникновение различных давлений. Ветер возникает в процессе рассеивания энергии, накопившейся вследствие наличия этих различных давлений.

По оценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200 ТВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20-30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м², может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м².

Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3%. На практике, согласно опубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50%, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75-95%. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30-40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальный электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в теченин года, видимо составляет 15-30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.

Сооружаются ветроэнергетические установки преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину-генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше , чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.

Особенности работы ветроэнергетических установок в настоящее время хорошо изучены. Проводятся испытания и совершенствуются конструкции ветроагрегатов. В близком будущем, вероятно, начнется их широкое производство. Построенные до настоящего времени очень крупные ветроагрегаты представляли собой лишь прототипы будущих установок. Все они работали в течение ограниченных периодов времени. Время от времени с ними случались аварии или неполадки, которых, вероятно, можно было бы избежать, если бы была проведена надлежащая техническая подготовка. Нет никаких существенных технических проблем, которые бы ограничивали широкое использование ветроагрегатов в ближайшем будущем. В настоящее время в большинстве национальных программ преобладают двухлопастные пропеллерные ветроагрегаты с горизонтальной осью вращения. Подавляющее большинство всех крупных ветроэлектрических агрегатов, построенных в прошлом, имели двух- или -трехлопастные ветроколеса. Однако строились и другие типы ветроагрегатов. Например, ротор Дарье с вертикальной осью, однолопастной ветроагрегат с горизонтальной осью и т.д. Каждая из конструкций имеет определенные преимущества. Вместе с тем такие конструкции вряд ли станут преобладающими в развитии ветроэнергетики.

Несмотря на отсутствие необходимых данных о параметрах ветра и трудности с выбором площадок ветроагрегатов, представляется возможным дать приблизительную оценку вклада ветровой энергии в мировой энергетический баланс: в 1990г. установленная мощность 10 ГВт и годовое производство электроэнергии 30 ТВт*ч, а в 2000г. 200 ГВт и 900 ТВт*ч.

Решающим фактором, который определит, значителен ли будет вклад ветровой энергии и удовлетворение потребностей человека в энергии в течение ближайших 50 лет, является возможность создания соответствующей технологии. Он связан в основном с национальной энергетической политикой, затратами и приемлемостью таких установок для населения.

Наиболее вероятно, что развитие ветроэнергетики в ближайшем будущем будет осуществляться на базе использования ветроэнергетических установок в диапазоне единичных мощностей от 5 до 100 кВт. Такие установки будут применяться для нужд насосного водоснабжения и для сельской электрификации совместно с электрическими аккумулирующими устройствами, рассчитанными на электроснабжения потребителей в течение 2 суток. Разрабатываются также ветроэнергетические установки единичной мощностью в диапазоне от 100 кВт до 5 МВт, предназначенные для выработки электроэнергии в составе существующих энергетических систем.

Ветродвигатель, устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат – колесо, приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания.

Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Исследования Ю. С. Крючкова показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с наивысшим коэффициентом полезного действия, которая непосредственно использует энергию ветра для движения.

Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели, возрождается сейчас, прежде всего, в наземных установках. В США уже построены и эксплуатируются коммерческие установки. Проекты наполовину финансируются из государственного бюджета. Вторую половину инвестируют будущие потребители экологически чистой энергии.

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.

Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рис. 4.3.

Они делятся на две группы:

– ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2...5);

– ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)).

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

Рис.4.3. Типы ветродвигателей

Крыльчатые

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра не изменяя своего положения.

Коэффициент использования энергии ветра (см. рис. 4(3.9)) у крыльчатых ветродвигателей намного выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных – намного больше момент вращения. Он максимален для каруcельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.

Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Карусельные

Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра

Рис. 4. Коэффициенты использования энергии ветра и вращающие моменты различных типов ветродвигателей

они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование – использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов не эффективно из-за низкого КПД последних.

Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем «откуда дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.

Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

Ортогональные

Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска.

В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете (см. рис. 3 (6)). Самолет, прежде чем «опереться» на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию – раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.

Сравнительно медленное внедрение ВЭУ в практическую энер­гетику обусловлено рядом объективных причин.

Первая причина связана с особенностями ветра как источника энергии. Ветер обладает крайне непостоянными характеристиками, имеет большие те­кущие (мгновенные) колебания скорости, средние скорости ветра суще­ственно изменяются в суточном и годовом цикле. Мировая практика по­казала, что при среднегодовых скоростях ветра менее 4...5 м/с применение ВЭУ неэффективно. Исходя из этих условий, согласно ветровому кадастру страны, не более 40% ее территории может использоваться для выработки электроэнергии. Значительным ветроэнергетическим потенциалом обладают зоны побережья и островов Северного Ледовитого и Тихого океа­нов, Азово-Черноморская и Каспийская зоны

Вторая причина связана с особенностями преобразования энергии вет­ра в электрическую Во всем мире базовой моделью для ВЭУ единичной мощностью до 300 кВт является двух- или трехлопастное ветроколесо горизонтально-пропеллерного типа, поднятое на соответствующую высоту с помощью башни. Для ВЭУ мегаваттного класса разрабатываются конструкции с вертикальной осью вращения. Диаметр ветроколеса для малых мощностей измеряется метрами, средних и больших - десятками метров.

Третьей причиной медленного внедрения в практику ВЭУ является их высокая стоимость. По данным различных источников стоимость 1 кВт вво­димой в эксплуатацию мощности ВЭУ составляет от 1000 до 1500 долл. США, что в несколько раз превышает капиталовложения в дизельные элек­тростанции небольшой мощности (до 300 кВт), составляющие 200...250 долл./кВт.

Эти общеизвестные причины могут быть дополнены специфическими причинами отсутствия ВЭУ даже на тех объектах ОАЭ, где применение их по метеоусловиям кажется очевидным (объекты гидрометеослужб, объекты связи на Севере и Дальнем Востоке, вахтовые поселки, малые городки в районах нефтедобычи и лесоразработок и т.п.). К ним относятся:

1) специфические резкопеременные графики нагрузок;

2) соизмеримая мощность отдельных потребителей с мощностью источника и, как следствие, динамические нагрузки на источник;

3) наличие особой группы электроприемников I категории, не допускающих перерывов в электроснабжении;

4) высокие требования к надежности оборудования, обусловленные низкой квалификацией обслуживающего персонала и невозможностью проведения ремонтных работе межнавигационный период.

Можно указать следующие достоинства и недостатки энергии ветра: отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, отсутствие потребления кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей, возможность преобразования в различные виды энергии (механическую, тепловую, электрическую), однако при этом низка плотность энергии, приходящаяся на еденицу площади ветрового колеса; непредсказуемые изменения скорости ветра в течении суток и сезона требуют резервирования ветровой станции или аккумулирования произведенной энергии; отрицательное влияние на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути сезонной миграции птиц

Основным недостатком ветроэнергетических станций является изъятие под их строительство больших площадей земельных ресурсов. Под мощные промышленные ветроэнергетические станции необходима площадь из расчета от 5 до 15 км²/МВт в зависимости от розы ветров и местного рельефа района. Максимальная мощность, которая может быть получена с км² площади меняется в зависимости от района использования, типа станций и технологических особенностей конструкции. Среднее значение находится в диапазоне 10 МВт. Для ВЭС мощностью 1000 МВт потребуется площадь 70-200 км², хотя частично эти земли могут использоваться для сельскохозяйственных нужд, что в большей мере зависит от шумовых эффектов и степени риска при поломках ВЭУ. Например, у больших ВЭУ лопасть при поломках и отрыве может быть отброшена на 400-800 метров.