Фотовольтаїка. Елементи сонячних батарей і додаткові компоненти
Наша сеть партнеров Banwar
Елементи сонячної батареї
Модулі сонячної батареї наземного застосування у звичайних випадках конструюються для заряду свинцево-кислотних акумуляторних батарей з номінальною напругою 12В. При цьому послідовно з'єднуються 36 сонячних елементів, і далі збираються в модуль. Отриманий пакет, як правило, обрамляють в алюмінієву раму, яка полегшує кріплення до несучої (опорної) конструкції. Потужність модулів сонячної батареї зазвичай становить від 10 до 300 Вт.
PV-cell (фотоелектрична осередок) - основний елемент сонячних батарей. Електричні параметри таких модулів відображаються в вольтамперної характеристиці, визначеної при стандартних умовах (тобто коли потужність сонячної радіації дорівнює 1000 Вт / м2, температура елементів - 25 ° С і сонячний спектр - на широті 45 °) (рисунок 1). Точка перетину кривої з віссю напруги називається напругою холостого ходу Vх.х., а з віссю струму - струмом короткого замикання Iк.з. На цьому ж графіку наведена крива потужності, одержуваної від сонячних елементів в залежності від навантаження. Номінальна потужність модуля визначається як найбільша потужність при стандартних умовах. Значення напруги, що відповідає максимальній потужності іменується робочою напругою Vр, а відповідний струм - робочим струмом Iр. Значення робочої напруги для модуля, що складається з 36 елементів приблизно дорівнює 16-17В (0,45-0,47В / елемент) при 25 ° С. Такий запас по напрузі потрібен для того, щоб компенсувати зменшення робочої напруги при розігріві модуля сонячним випромінюванням. Температурний коефіцієнт напруги холостого ходу для кремнію становить - мінус 0,4% / градус. Температурний коефіцієнт струму - плюс 0,07% / градус. Напруга холостого ходу сонячного модуля мало змінюється при зміні освітленості, в той час як струм короткого замикання прямо пропорційний. ККД сонячного модуля визначається як відношення максимальної потужності модуля до загальної потужності випромінювання, що падає на його поверхню при стандартних умовах, і складає 15-40%.
Рис.1. Вольтамперная характеристика сонячної батареї
З метою отримання необхідної потужності і робочої напруги модулі з'єднують послідовно або паралельно. Так отримують сонячну батарею. Потужність сонячної батареї завжди нижче, ніж сума потужностей модулів - через втрати, обумовлених різницею в характеристиках однотипних модулів (втрат на неузгодженість). Чим ретельніше підібрані модулі в батареї (тобто, чим менше різниця в характеристиках модулів), тим нижче втрати на неузгодженість. Наприклад, при послідовному з'єднанні десяти модулів з розкидом характеристик 10% втрати становлять приблизно 6%, а при розкиді 5% - знижуються до 2%. У випадки затінення одного модуля, або частини елементів в модулі, в сонячній батареї при послідовному з'єднанні з'являється «ефект гарячого плями» - затінений модуль (або елемент) починає розсіювати всю вироблену освітленими модулями (або елементами) потужність, стрімко нагрівається і виходить з ладу. Для усунення цього ефекту паралельно з кожним модулем (або його частиною) встановлюють шунтирующий діод. Діод потрібен при послідовному з'єднанні більше двох модулів. До кожної лінійці (послідовно з'єднаних модулів) також підключається блокуючий діод для вирівнювання напружень лінійок. Всі ці діоди, як правило, розміщуються в сполучній коробці самого модуля. Вольтамперная крива сонячної батареї має той же вигляд, що і одиничного модуля. Робоча точка батареї, підключеної до навантаження, не завжди збігається з точкою максимальної потужності (тим більше, що положення останньої залежить від умов освітленості і температури навколишнього середовища). Підключення таких навантажень, як, наприклад, електродвигун, може зрушити робочу точку системи в область мінімальної або навіть нульовою потужності (і двигун просто не запуститься). Внаслідок цього наступний важливий компонент сонячної батареї - перетворювачі напруги, здатні узгоджувати сонячну батарею з навантаженням. Загальна схема сонячної електростанції показана на малюнках 2 і 3.
Регулятори відбору потужності батареї і регулятори заряду і розряду акумуляторів
Зазвичай, в цих регуляторах реалізується принцип пошуку максимуму потужності шляхом коротких періодичних змін положення робочої точки. Якщо при цьому потужність на виході приладу зростає, то становище робочої точки змінюється в цьому напрямку при наступному етапі. Таким чином, безперервно оптимізується навантажувальна характеристика для відбору максимальної потужності, а також забезпечується можливість регулювання в широкому динамічному діапазоні і формування імпульсів струму, здатних зарядити акумуляторну батарею навіть в умовах слабкої освітленості. Цей досить простий алгоритм може бути поліпшений запам'ятовуванням часто повторюваних напрямків зміщення робочої точки (для усунення кроків зміщення в помилкових напрямках), що буває важливо в умовах мінливої освітленості. На виході регулятора формуються імпульси постійного струму, ширина і частота проходження яких залежать від потужності, виробленої сонячною батареєю в даний момент. При цьому якщо робоча напруга навантаження нижче, ніж робоча напруга модуля, то можна отримувати великі значення струмів в навантаженні, ніж струм короткого замикання батареї. Потрібно враховувати, що регулятори мають ККД 0,85-0,95. Вартість регулятора заряду становить не вище 5% від вартості всієї системи (однак від якості зарядних регуляторів залежить те, як часто доведеться міняти акумулятор). Щоб уберегти батарею від надмірної розряду, навантаження повинна бути відключена, коли напруга батареї опускається нижче напруги відключення. Навантаження не повинна підключатися до моменту, коли напругу не зросте до певного значення (напруги підключення). Є досить суперечливі стандарти цих значень. Вони залежать від конструкції певних батарей, виробничого процесу і терміну служби акумуляторних батарей. У деяких моделях регуляторів застосовується звуковий сигнал, який повідомляє користувачеві про швидке відключення живлення. Щоб захистити батарею від перезаряду треба обмежити зарядний струм при досягненні напруги завершення зарядки. Напруга почне знижуватися, поки не досягне іншого порога, званого напругою відновлення заряду. Невеликі сонячні електростанції мають схильність до Надмірне споживання енергії (а не до перезарядці) внаслідок цього допускається перезарядження, і при цьому потрібно застосовувати більш високу напругу завершення заряду. Вище викладене відноситься до регуляторів для автономних сонячних електростанцій невеликої потужності (до 1 кВт). У більш потужних системах сонячних батарей функції контролю зарядки і розрядки бере на себе системний контролер (керуючий також всією системою). Як правило, цей пристрій пов'язане з комп'ютером (здійснює до того ж постійний моніторинг за роботою елементів із записом значень освітленості, температури, струму і напруги для подальшого аналізу).
Акумулятори в системі сонячної батареї
Вироблену сонячною батареєю енергію можна зберігати в різних формах: • хімічна енергія в електрохімічних акумуляторах; • потенційна енергія води в резервуарах; • теплова енергія в теплових акумуляторах; • кінетична енергія обертових мас або стисненого повітря. Для сонячних батарей більше підходять електрохімічні акумулятори, так як сонячні батареї виробляють, а споживач споживає електроенергію, яка безпосередньо і запасається в акумуляторі. Виняток - сонячні станції для водопостачання, де споживається вода, а енергія запасається в потенційної енергії води у водонапірній башті. У більшості фотоелектричних систем застосовують свинцево-кислотні акумулятори. Потрібно відразу підкреслити, що акумулятори, спеціально призначені для сонячних батарей (і інших подібних систем), істотно відрізняються від стартерних автомобільних акумуляторів, нехай навіть мають в основі ту ж саму технологію. Головними умовами за вибором акумуляторів є: • стійкість до циклічного режиму роботи; • здатність переносити без наслідків глибокий розряд; • низький саморозряд акумулятора; • некритичність до порушення умов заряджання та розряджання; • довговічність; • простота в обслуговуванні; • компактність і герметичність (важливий критерій для переносних або періодично демонтуються сонячних батарей). Цим вимогам в повній мірі задовольняють акумулятори, виготовлені за технологіями «dryfit» (гелевий) і AGM (адсорбований електроліт) або рекомбинационной технології. Вони характеризуються відсутністю експлуатаційних витрат і перекривають діапазон ємностей 1-12000 Ач, що дозволяє задовольняти вимогам всіх споживачів. Ці акумулятори відрізняються зниженим газовиділенням і рекомбінацією кисню. Внаслідок цього вода електроліту НЕ електролізу і не випаровується, і такі акумулятори не вимагають доливання електроліту. Наприклад, акумулятори однієї з фірм з трубчастими позитивними пластинами, мають такі характеристики: • великий термін служби - до 15 років; • стійкість до циклічного режиму - понад 1200 циклів; • відсутність необхідності обслуговування протягом всього терміну служби; • мінімальне газовиділення (завдяки застосуванню сплаву без сурми і використанню технології внутрішньої рекомбінації газу); • саморазряд - приблизно 3% в місяць. Внаслідок високої вартості таких акумуляторів, з'являється бажання використовувати звичайні стартерні свинцево-кислотні акумуляторні батареї (автомобільний акумулятор). Термін служби таких акумуляторів в складі сонячної батареї - не більше 2-3 років. Внаслідок цього за термін використання сонячної батареї (15-20 років і більше) необхідно буде міняти акумулятори (до цього додадуться витрати на обслуговування акумуляторів і обладнання приміщень). З метою отримання необхідного робочого напруги акумулятори або акумуляторні батареї з'єднують послідовно. При цьому дотримуються визначених правилами: • використовують акумулятори тільки одного типу, вироблені одним виробником і в один час (до 1 місяця); • експлуатують все акумулятори одночасно, не роблячи відводів від окремих акумуляторів складових акумуляторну батарею; • не об'єднують акумулятори з різницею в даті випуску більш ніж на місяць в одну акумуляторну батарею; • забезпечують різницю температур окремих акумуляторів не більше 3 ° С. Для продовження терміну служби акумуляторів при циклічному режимі роботи в сонячних батареях важливо не допускати глибокого розряду. Рівень розряду характеризується глибиною розряду, яка виражається у відсотках від номінальної ємності акумулятора. На малюнку 4 зображено залежність ємності акумулятора (у відсотках від номінальної) від кількості відпрацьованих циклів, при різній глибині розряду (акумулятори FIAMM GS). Таким чином, використовуйте акумуляторні батареї за глибокому розряді веде до їх більш частої заміни і, відповідно, до подорожчання системи. Глибину розряду акумуляторів сонячних батарей намагаються обмежити на рівні 30-40%, що досягається відключенням навантаження (або зниженням потужності) або використанням акумуляторів більшої місткості.
Рис.4. Залежність ємності акумулятора від кількості відпрацьованих циклів при різній глибині розряду
Внаслідок цього, для управління процесом зарядки і вибору оптимального режиму, до складу сонячної електростанції обов'язково включають контролери заряду-розряду акумуляторної батареї.
Інвертори
Сонячний генератор (яким би складним і великим він не був) може виробляти лише постійний струм. На щастя, є багато споживачів, що використовують саме постійний струм (заряд акумуляторів, освітлення, радіоапаратура тощо), але споживачів змінної напруги 220В не менше. Для перетворення постійного струму акумуляторної батареї в змінний синусоїдальної форми, потрібен інвертор. Інвертори - напівпровідникові прилади. Вони можуть бути поділені на два типи відповідно до типу фотоелектричних систем: • інвертори для автономних систем сонячних батарей; • інвертори для мережевого використання. Вихідний каскад у обох типів багато в чому схожий, а основна відмінність в схемі управління. Перший тип має генератор частоти, а другий повинен працювати синхронно з промислової мережею (і як генератор частоти використовує саму мережу). Для всіх типів ключовий параметр - ККД (який повинен бути більше 90%). Вихідна напруга автономних інверторів як правило становить 220 (50/60 Гц), а в інверторах потужністю 10-100кВт можна отримувати трифазну напругу 380В. Всі автономні інвертори трансформують постійний струм акумуляторних батарей. Внаслідок цього вхідна напруга вибирається з ряду 12, 24, 48, 60, 96 і 120В. Чим більше вхідна напруга, тим простіше інвертор і тим вище його ККД. При великій напрузі істотно менше втрати на передачу енергії від сонячного генератора до акумуляторної батареї, регулятору заряду і инвертору, однак при цьому ускладнюється конструкція сонячної електростанції і її експлуатація при небезпечних напружених (вище 40 В). До форми вихідного сигналу автономних інверторів пред'являються менш жорсткі вимоги. У ряді випадків (якщо дозволяє навантаження) можливе використання інверторів з трапецієподібним вихідним сигналом. Такі інвертори коштують в 2-3 рази дешевше інверторів з синусоїдальним вихідним сигналом. Важливий параметр автономних інверторів - залежність ККД від потужності підключеного навантаження. ККД не повинен значно знижуватися при підключенні навантаження в десять разів меншою (по споживаної потужності), ніж номінальна потужність інвертора. Разом з тим інвертор повинен витримувати перевантаження в вихідних ланцюгах (при підключенні електродвигунів і інших динамічних навантажень). Таким чином, до автономного инвертору ставляться такі вимоги: • здатність переносити без наслідків перевантаження (як короткочасні, так і тривалі); • маленькі втрати при малих навантаженнях і на холостому ходу; • стабілізація вихідної напруги; • низький коефіцієнт гармонік (спотворень форми вихідної напруги); • високий ККД; • відсутність перешкод на радіочастотах. Іноземні фірми пропонують широкий асортимент інверторів, спеціально розроблених для сонячних батарей. Такі інвертори вже мають блок регулятора відбору максимальної потужності, блок регулятора заряду, а також додатковий вхід підключення дизель-генератора (для екстреної підзарядки акумуляторної батареї). До вихідного сигналу мережевих інверторів пред'являються найжорсткіші вимоги. Для зниження втрат на перетворення такі інвертори працюють при високих вхідних напругах. Оскільки їх вхідні кола підключаються безпосередньо до сонячній батареї, інвертори мають регулятор відбору максимальної потужності (вбудований в інвертор). Мережеві інвертори мають також блок контролю потужності сонячної батареї (і включаються автоматично, як тільки потужність сонячної батареї стає достатньою для формування змінного сигналу).