Баганов Є.О. Конспект лекцій з дисципліни Джерела енергії на Землі

Подождите немного. Документ загружается.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

111

• розсіюванням на теплових коливаннях кристалічної ґратки

надлишкової енергії фотонів,

• рекомбінацією фотопар, що утворилися на поверхнях і в об`ємі

фотоелемента,

• внутрішнім опором перетворювача.

Сонячні елементи служать для електропостачання у віддалених

районах Землі або на орбітальних станціях, де неможливо використовувати

електромережу, а також для живлення калькуляторів, радіотелефонів,

зарядних пристроїв, насосів.

В серпні 2009 р. вчені Університету Нового Південного Уельсу досягли

рекордної ефективності сонячних батарей – 43%. Однак, новий рекорд було

встановлено в лабораторних умовах. Так

, світло перед попаданням на батареї

було сфокусовано спеціальними лінзами. Крім того, вартість усього

обладнання далека від значень, котрі дозволили б виробляти ії в промислових

масштабах. Рекорд для однієї сонячної батареї в реальних умовах складає

приблизно 25%.

Матеріали

Фотоелементи виготовляють з різноманітних напівпровідникових матеріалів.

Монокристалічні фотоелементи найбільш складні і дорогі оскільки для їх

виготовлення потрібен кристалічний кремній, однак мають найбільшу

ефективність (14 %-20 % перетворення світла у електричну енергію).

Полікристалічні фотоелементи дешевші ніж монокристалічні, однак

менш ефективні.

Тонкоплівкові фотоелементи використовують тонкі плівки що

виготовляються з розплавленого кремнію. Такі фотоелементи найменш

ефективні.

У космічних апаратах використовуються також

багатоперехідні

сонячні елементи або гетерофотоелементи. Такий елемент складається з

декількох p-n переходів (AlGaAs-GaAs), кожен з яких вловлює світло певного

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

112

спектру. Такі сонячні елементи досягають найвищої ефективності — 35 %.

Велика складність виготовлення таких пристроїв робить їх малопоширеними.

Для підвищення ефективності перетворення світла також

використовують концентрувальну оптику.

На даний момент ведуться дослідження по створенню гнучких

плівкових сонячних елементів, а також напівпровідникових фарб,

використанню органічних напівпровідників.

Температурний режим

Важливим моментом роботи сонячних елементів є їхній

температурний режим. При нагріванні елемента на один градус понад 25 °C

він втрачає в напрузі 0,002 В, тобто 0,4 %/градус. Це становить проблему для

фотоелементів з концентрувальною оптикою. Тому вони потребують

додаткового охолодження.

Сонячна батарея

Напруга холостого ходу, яка генерується одним елементом, злегка

змінюється при переході від одного елемента до іншого в одній партії і від

однієї фірми-виробника до іншої і складає близько 0,6 В. Ця величина не

залежить від розмірів елемента та його освітленості. Щоб підвищити вихідну

напругу сонячні елементи з'єднують послідовно. Такі з

'єднання називають

сонячною батареєю. Негативним моментом такого з'єднання є дещо менша

надійність, оскільки достатньо виходу з ладу (або просто попадання у тінь)

одного елемента щоб струм зменшився у цілій батареї. Сонячні елементи не

«бояться» короткого замикання.

Стандартними умовами для паспортизації сонячних батарей в усьому

світі визнаються наступні:

• освітленість 1000 Вт/м

• температура 25 °C,

• спектр АМ 1,5 (сонячний спектр на широті 45°).

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

113

Вартість сонячних батарей швидко зменшується (у 1970 р. 1 кВт*год

електроенергії, виробленої з їхньою допомогою коштувала $60, у 1980 р. —

$1, зараз — $0,20-$0,30). Завдяки цьому попит на сонячні батареї росте на

30 % у рік, щорічний обсяг їхнього продажу перевищує (за потужністю) 50

МВт.

В Україні провідним виробником сонячних батарей є ВАТ «Квазар».

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

114

Лекція №13.

Основні підходи до перетворення енергії хвиль. МГД-генератори.

Сумарна енергія хвиль оцінюється приблизно в 3 ТВт. У Світовому

океані ділянки з досить стабільним по потужності хвилюванням

зустрічаються рідко. Виконання оцінок для конкретних районів вимагає

тривалих спостережень, у цілому по океані цих спостережень ще не досить.

Можна сказати, що зараз найбільш вивчено Північне море (у ньому ведеться

інтенсивний видобуток нафти

й газу) і взагалі Північна Атлантика. Звичайна

хвиля в досить бурхливому Північному морі має потужність близько 40 кВт

на метр гребеня протягом 30 % часу існування й приблизно 10 кВт/м в інші

70 % часу. Для точної оцінки потенціалу хвилювання крім усереднених

характеристик потужності важливий ще спектральний і просторові (напрямок

приходу) характеристики. Тому прості оцінки

за допомогою відомого

співвідношення виду

Р = 0,25pgH

uL,

де Н - висота хвиль; u - швидкість поширення; L - характерний

горизонтальний розмір перетворювача, виявляються лише приблизними,

придатними тільки для рішення питання про те, чи варто в принципі

займатися в досліджуваному районі перетворенням енергії хвиль. Крім того,

подібні питомі характеристики не дають повного уявлення про можливість

одержання енергії на всій акваторії.

Для морів, що

омивають береги країн СНД, Г. В. Матушевский методом

осереднення елементів хвиль із урахуванням забезпеченості по сезонах

отримав наступні питомі потужності: Берингове - 15-44, Баренцево-22-29,

Японське -21-31; Охотське-12-20, Каспійське -7-11, Балтійське - 7-8, Чорне -

6-8 кВт/м.

Енергохвильові перетворювачі (ЕХП) можуть класифікуватися залежно

від типу носія, призначення, розміщення, способу перетворення, знімання

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

115

енергії, діапазону прийнятих висот хвиль.

Поділ за типом носія:

1. Газові (ЕХПГ);

2. Рідинні (

ЕХПР).

3. Прямого перетворення.

Газові перетворювачі, –

у яких для передачі енергії, як енергоносій

використовується додаткове середовище, у цьому випадку – газ або суміш

газів.

Рідинні перетворювачі, – у яких для передачі енергії, як енергоносій

використовується рідина (у деяких випадках морська або прісна вода).

Прямого перетворення, – у яких передача імпульсу схвильованої

поверхні відбувається прямо, без застосування розділових середовищ.

Залежно від призначення:

1. Однорежимні;

2. Універсальні;

Однорежимні

- дані перетворювачі призначені для роботи в будь-якому,

одному режимі роботи, тобто забезпечення подачі енергоносія при певних

технологічних параметрах із числа наступних:

• Номінальна витрата носія Qпод., що змінюється в широких межах;

• Номінальний тиск носія Рпод., що змінюється в широких межах;

• Номінальних Q і Р подачі.

Універсальні – можливий автоматичний або ручний перехід на будь-який

режим робіт із числа зазначених вище.

Залежно від розміщення:

1. берегові;

2. морського базування;

3. змішаного (переміщувані).

До перетворювачів берегового базування належать перетворювачі,

розміщені в береговій зоні (безпосередньо прикріплені до берега, або зон, що

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

116

перебувають під впливом дії прибою).

До перетворювачів морського базування належать перетворювачі,

розміщені вдалині від дії хвиль прибою, до їхнього числа належать

перетворювачі, розміщені на придонних височинах або поблизу від них (зона

впливу височин).

До перетворювачів змішаного розміщення належать перетворювачі, які

можуть міняти своє розміщення, у т.ч. внаслідок економічних або інших

причинах (до них належать перетворювачі, переміщувані в райони

максимальних хвилювань).

За способом перетворення:

1. пневматичні;

2. гідравлічні;

3. змішані (емульсійні);

4. механічні;

5. магнітодинамічні.

До пневматичних (компресорних) перетворювачів належать

перетворювачі, які використовують для передачі енергії стиснені гази або

суміш газів, у т.ч. повітря (газоподібний носій енергії).

До гідравлічних перетворювачів належать перетворювачі, у яких для

передачі імпульсу впливу використовується рідина (у т.ч. морська вода або

прісна вода).

До перетворювачів змішаного способу перетворення належать

перетворювачі

, у яких для передачі імпульсу впливу застосовується як

рідинний, так і газоподібний енергоносій.

До механічних способів перетворення енергії хвиль належать

перетворювачі, у яких для передачі імпульсу впливу, застосовуються різні

кінематичні зв'язки (у т.ч. важільні, поворотні механізми з різним ступенем

кута зсуву (повороту)) і ін.

До магнітодинамічних способів перетворення

енергії хвиль належать

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

117

перетворювачі, у яких енергія робочого тіла (рідкого або газоподібного

електропровідного середовища), що рухається в магнітному полі,

перетворюється безпосередньо в електричну енергію.

По зніманню енергії:

1. повної;

2. кінетичної;

3. потенційної.

До перетворювачів з повним зніманням енергії ставляться перетворювачі,

у яких відбувається знімання більше 50% повної енергії схвильованої

поверхні.

Аналогічні визначення при кінетичному й потенційному перетворенні

енергії, тобто максимум перетворення тільки одного виду енергії, інші види

енергії знімаються частково - менш 50% від запасеного виду енергії.

За діапазоном прийнятих висот хвиль

1. Вузькодіапазонні;

2. Широкодіапазонні;

3. Всехвильові.

Діапазон хвиль - хвилювання будь-якого типу, при якому висота хвиль

достатня для номінального режиму роботи перетворювачів, з перебігом часу

тривалості даного хвилювання.

Вузькодіапазонні перетворювачі - перетворювачі, що знімають

максимум енергії із хвиль певного діапазону хвилювання, при зніманні

енергії із хвиль вище й нижче на 25% зазначеного діапазону технологічного

хвилювання, ККД перетворювача знижується на

50% і більше відсотків або

робота в діапазоні 25% максимального хвилювання.

Широкодіапазонні перетворювачі - перетворювачі, у яких при зниженні

або підвищенні хвилювання на 25%, ККД перетворювача змінюється не

більше 25%, або робота в діапазоні до 50% максимального хвилювання.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

118

Всехвильові - перетворювачі, у яких при зміні діапазону хвилювання з

25 до 100% максимального хвилювання, ККД перетворювача не знижується

нижче 25%, або робота в діапазоні 75% максимального хвилювання при ККД

не нижче 25% від розрахункового.

Точкові перетворювачі

Для того щоб уважати пристрій точковим перетворювачем, зовсім не

важливо, який принцип лежить в основі його роботи. Достатньо, щоб

довжина й ширина пристрою були значно менше довжини хвилі й щоб

ефективність роботи його або принципово не залежала від напрямку руху

хвиль, або пристрій міг самостійно відслідковувати зміну цього напрямку й

переорієнтуватися

в просторі. Особливий інтерес до точкових

перетворювачів пов'язаний з тим, що вони не тільки можуть мати досить

високі ККД перетворення, використовуватися як поодинці, так і разом,

утворюючи цілі енергосистеми, але й з тим, що вони збирають енергію з

ділянки фронту хвилі, що перевищує їхні лінійні розміри й можуть

застосовуватися

в якості хвилезахисних пристроїв.

Щоб точковий перетворювач був досить ефективним, рух його

поглинаючого елемента повинен бути узгоджений з рухом водної поверхні.

Цей елемент повинен бути неодмінно підключений до системи, що демпфує,

яка утилізую корисну потужність, а механічні характеристики пристрою

повинні перебудовуватися при зміні хвильових умов.

У загальному випадку для системи типу

точкового циліндричного буя

рівняння руху може бути записане у вигляді

де а — приєднана маса рідини, кг; D — діаметр; F (t) — сила, створювана

хвилями; g — гравітаційна постійна; m — маса; b

— втрати енергії на

перетворення в корисну; b

– втрати на відбиття; b

— втрати на грузле тертя;

- втрати на тепло, що виділяється в електричному колі; z — переміщення

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

119

у хвилі; ρ - щільність морської води. У цьому виразі коефіцієнти, що

описують різні втрати енергії, є функціями частоти коливань.

Якщо для простоти замінити такий буй еквівалентним електричним

генератором з навантаженням, то про оптимізацію його характеристик можна

говорити у випадку рівності внутрішнього опору такого генератора

зовнішньому опору мережі, у якій витрачається вироблена

енергія. Так як

корисна потужність, що виробляється пристроєм, є не що інше як

zbP

(тут <> означає усереднення за часом), то умовою вироблення

максимальної корисної потужності буде вираз

Індукційні хвильові генератори у вигляді точкових буїв: а – буй, що

гойдається; б – нерухомий буй з лінійним індукційним генератором.

1 – поплавець, 2 – постійний магніт, 3 – котушка.

На прикладі лінійного індукційного генератора, що має N витків

провідності в котушках, магнітну індукцію В, повну довжину провідників

l і

повний опір електричного кола

, при повній електричній потужності

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

120

повний опір ланцюга R

може бути знайдене як

а власний опір кола генератора

Зазвичай точкові перетворювачі є пристроями, що мають характерні

робочі частоти. Якщо такий пристрій розрахований для роботи при певній

домінуючій частоті хвиль, то ефективність його падає при зміні хвильових

умов. При настроюванні в резонанс із падаючою хвилею, навпаки,

відбувається збільшення хвильової енергії, що виділяється на перетворювачі.

Таке настроювання провадиться за рахунок

зміни механічних (вплив на

величину

) і електричних характеристик b

. У першому випадку для

пристроїв, що коливаються уздовж вертикальної осі (різного виду буї),

рекомендують зміна маси за рахунок заповнення баластових цистерн, а для

пристроїв з обертовими елементами - моментів інерції шляхом зміни

розподілу мас.

До точкових систем перетворювачів енергії хвиль відносяться й різні

типи хвильових насосів.

Насос Айзекса

Переваги такого насоса - його простота, незалежність роботи від

напрямку приходу хвиль, широкий спектральний діапазон хвилювання.

Основний недолік, за словами самого Дж. Айзекса,- можливість ефективної

експлуатації лише на досить великих глибинах, тобто вдалині від берега.

Втім, цей недолік обертається в перевагу, коли мова йде про необхідність

постачати енергією автономну віддаленому від

берега об'єктові або подавати

на морську ферму глибинні води.