Соларни системи   Leave a comment

Слънчеви колектори за производство на гореща вода и фотоволтаични системи

статията е от сп. Технологичен дом м. юни 2010 г.

Дори и без задълбочен анализ на консумацията на енергия в световен мащаб е видно, че енергийните нужди на човечеството непрекъснато нарастват. За разлика от тях количеството на първичните енергоносители намалява и то с доста бързи темпове.

В същото време, Земята получава от Слънцето хиляди пъти повече енергия от необходимата за дейността на цялото човечество. Извън известната доза популизъм в горното твърдение, технологиите за оползотворяване на слънчевата енергия са определяни като едни от най-перспективните. Затова и през последните години се инвестират значителни средства в развитието им. В момента, най-общо, съществуват две наложили се технически решения. Едното включва използваните все по-масово и у нас слънчеви колектори за производство на топла вода за отопление и битово горещо водоснабдяване, а другото т.нар. фотоволтаични системи.

Слънчеви колектори за производство на топла вода
Представляват съоръжения, които улавят и трансформират в топлина пряката и дифузната слънчева радиация, като я използват за загряване на топла вода за отопление и/или битово горещо водоснабдяване. Усвояването на тази енергия зависи от качествата на използваните слънчеви колектори. Важно условие за постигане на оптимален ефект е колекторът да приема слънчевата енергия, но да не я отдава обратно, което е особено важно през по-студените месеци от годината. Обикновено, в зависимост от въздействието на елементите на колекторите върху интензитета на слънчевата радиация, те се разделят в две основни групи – обикновени и концентриращи. В бита масово се използват предимно обикновените слънчеви колектори, които от своя страна са плоски и вакуумно-тръбни.

Плоски слънчеви колектори
За момента този вид колектори заемат по-голям пазарен дял поради относително ниската им себестойност. Затова и изградените на тяхна база слънчеви инсталации са повече. Основни конструктивни елементи на плоските слънчеви колектори са корпус, абсорбер, прозрачно покритие и топлоизолация.
Корпусът е оформен като кутия и е изработен от метални профили, обикновено алуминиеви, стоманени или от поцинкована ламарина. В него се полагат абсорберът, изолацията, покритието и тръбните връзки. Основно изискване към корпуса е да осигурява необходимата якост за безпроблемно транспортиране и монтаж на колектора, лесна поддръжка и сервиз, както и достатъчна плътност. Целта е да се предотврати достъпът на вода и прах.
За абсорбера се използват топлопроводими, корозионноустойчиви материали като мед, стомана и др. Препоръчва се той да е със селективно покритие, което осигурява по-добра поглъщателна способност.
Прозрачното покритие се поставя в най-горната част на колектора. Изработва се от стъкло или от поликарбонатна пластина, която е все по-предпочитана поради по-малкия коефициент на отражение. Материалите, използвани за покритието е необходимо да притежават висока светлопропускаемост, да бъдат термоустойчиви, да притежават достатъчна якост и да са устойчиви на атмосферни влияния. Покритията могат да бъдат еднослойни и двуслойни, обикновено се препоръчват двуслойните поради по-малките загуби от топлопреминаване. Срещат се също и комбинирани покрития от два различни материала.
Предназначението на топлоизолацията е да ограничи топлинните загуби от долната и страничните повърхнини на абсорбера. Между прозрачното покритие и корпуса се поставя уплътнение от термоустойчив каучук или тефлон.

Колектори с вакуумни тръби и вакуумно-тръбни колектори с термотръби
Този тип колектори са изградени от стъклени тръби. В тях се поставя абсорберът, който обикновено е със селективно покритие и конструктивно е оформен като двустранно оребрена тръба. По-сложната конструкция на колекторите с вакуумни тръби в сравнение с плоските слънчеви колектори осигурява по-високата им ефективност на работа. Логично, те имат по-висока себестойност.
Стъклените тръби на колектора се изработват от висококачествено стъкло. Диаметърът на тръбата обикновено е 100 – 200 mm, а дебелината на стената – 2,5 mm. Загряваният топлоносител преминава през намиращия се в тръбата абсорбер. Поддържането на условия на дълбок вакуум в тръбите (приблизително 100 Pa) осигурява изключително добра изолация на абсорбера и защита от корозия. Благодарение на вакуумa се предотвратяват и загубите на топлинна енергия от абсорбера към околната среда, а също така се гарантира ефективна работа на колектора при минусови температури. За повишаване ефективността на колектора, под тръбите обикновено се монтира рефлектор от алуминиево фолио. В сравнение с плоските слънчеви колектори, при вакуумно-тръбните загубите от отражение на слънчевата радиация са по-ниски. Техен недостатък е задържането на сняг и скреж върху тръбите, което намалява ефективността им при работа в зимни условия.
Разновидност на колекторите с вакуумни тръби са вакуумно-тръбните колектори с термотръби. Топлинните тръби се използват за повишаване ефективността на абсорбера, а следователно и на самия колектор. Обикновено представляват медни тръби, в които циркулира летлива кипяща течност. Според специалисти в областта, тези слънчеви колектори изграждат най-добрите в технологично отношение слънчеви системи за топла вода, които съответно имат най-висока себестойност. Друго тяхно предимство е способността им да работят и при минусови температури, стига да има слънчево греене.

Видове слънчеви системи
Системите със слънчеви колектори позволяват различни варианти на изпълнение и окомплектоване на инсталацията, съобразно климатичните особености на района, в който тя ще бъде инсталирана. Освен слънчевия колектор, системата включва задължително и акумулатор. Също така могат да бъдат включени допълнителен източник на енергия, топлообменник и помпа.
Видът на слънчевия колектор се определя в зависимост от планираната годишна използваемост на инсталацията. Ако слънчевата система е предвидена за сезонна работа, се препоръчва използването на плоски слънчеви колектори. За слънчеви инсталации, предназначени за целогодишна работа, специалистите препоръчват да се инвестира в колектори с вакуумни тръби или вакуумни колектори с термотръби.
В зависимост от начина на циркулация на водата през колектора, слънчевите системи се класифицират в два основни вида. Първият вид включва т.нар. системи с естествена циркулация, известни още като термосифонни или пасивни системи. Вторият вид обхваща т.нар. системи с принудителна циркулация, наричани активни системи. Всяка от описаните системи би могла да бъде директна или индиректна, в зависимост от броя на циркулационните кръгове. Предпочитани са индиректните системи, тъй като с тях се осигурява по-дълъг експлоатационен живот на колектора. Използването на директна система създава значително по-големи рискове от възникване на корозия.
Независимо от вида на системата, специалистите препоръчват като топлоносител в колекторния контур да се използва химически очистена вода или по възможност антифриз на основата на етилен- или пропиленгликол.

Монтаж на колекторите
Предпочитано място за монтаж на слънчевите колектори е покривът на съответната сграда и по-рядко – специални площадки върху носеща метална конструкция. Важно условие е колекторът да се постави на открито и незасенчено място. Друго добро решение за монтаж на слънчевите колектори е използването им във вид на ограждащ елемент, което ги превръща в елемент от архитектурата на дадената сграда.
Препоръчително е колекторът да се ориентира на юг. В случай че е невъзможно да се спази това условие, е допустимо колекторът да се ориентира на югоизток или югозапад. Препоръчителният наклон на колектора следва да е в диапазона от 30 до 60 °, като за оптимален се счита наклонът от 40 – 45 °. Счита се, че при тази ориентация и наклон, сумарната денонощна трансформация на енергия има максимум.

Фотоелементи от моно и поликристален силиций
С термина фотоволтаик се означава фотоелемент, преобразуващ светлинната енергия в електрическа. Фотоелементите работят на принципа на вътрешния фотоефект и се произвеждат предимно от полупроводникови материали. От тях най-широко приложение намират няколко форми на кристалния силиций – монокристален силиций, поликристален силиций, лентов или листов силиций и тънкослоен силиций. За момента най-голям пазарен дял имат фотоволтаиците от монокристален и поликристален силиций, но се наблюдава тенденция към непрекъснато увеличаване на производството на тънкослойни фотоволтаици.
Фотоелементите от монокристален силиций осигуряват относително висок коефициент на полезно действие за днешното развитие на технологиите – от порядъка на 14% за фотоволтаици в реални производствени условия и до 24% за фотоволтаици в лабораторни условия. Производството на фотоелементите от монокристален силиций се осъществява на основата на скъпи технологии, което определя високата цена на този тип клетки. Част от монокристалните фотоклетки се произвеждат от заготовки за микроелектронното производство, които показват твърде много дефекти, за да бъдат използвани за производство на чипове, но могат да работят добре като фотоволтаици.
Сравнително по-евтина, но за сметка на това по-неефективна е технологията за производство на фотоелементи от поликристален силиций. Тези фотоелементи постигат КПД от порядъка на 13 – 15% при серийно производство и около 18% за лабораторни модели.
Фотоклетките от аморфен силиций се произвеждат на основата на тънкослойна технология, като генериращият слой няма кристална решетка, а атомната му структура е аморфна. В действителност става въпрос за силиций с определен примес на водородни атоми. Ефективността на този вид клетки е в диапазона 6 – 9%, а цената – относително ниска. Сред основните предимства на тези фотоелементи е способността на фотоволтаиците, реализирани на тяхна база, да работят добре и при малка интензивност на лъчистия поток. Друго важно тяхно предимство е по-слабата зависимост на параметрите на фотоелементите от температурата.

Тънкослойни покрития и нови материали за фотоклетки
Фотоелементите, произведени на база тънкослойни покрития са изградени от слоеве полупроводникови материали с дебелина от няколко микрометра, отложени върху нескъпа основа като стъкло, гъвкава пластмаса или неръждаема стомана. Полупроводниковите материали, отлагани във вид на тънки филми, включват аморфен силиций (a-Si), медно-индиев диселенид (CIS) и кадмиев телурид (CdTe). Кадмиевият телурид се приема за един от перспективните материали за фотоволтаици, произвеждани на основата на тънкослойната технология. Фотоелементите са сравнително евтини, с КПД около 8% и експлоатационен живот, който надхвърля 10 години.
И водещите компании в областта, и държавните научни институти в развитите индустриални държави инвестират в посока повишаване на ефективността на фотоволтаиците. Експериментира се и с други материали, като големи надежди се възлагат на фотоелементите от медно-индиев селенид (CuInSe2), както и материалите от т.нар. трето поколение, които са базирани на полимери. Съществуват и хибридни фотоелементи, при които върху подложка от кристален силиций се нанася тънкослойно покритие. То пропуска част от падащата светлина върху кристалната фотоклетка. По този начин и двете технологии генерират електрическа енергия едновременно.

Специфики на слънчеви панели
Малкото напрежение на фотоелементите рязко ограничава приложенията им. С цел повишаване на напрежението се използва последователно свързване на голям брой еднакви фотоволтаични клетки. Към слънчевите панели се поставят сериозни изисквания по отношение на теглото. Изисква се и добра механична здравина, което налага използването на рамка – обикновено от анодиран алуминий. Изброените изисквания ограничават площта на панелите до малко над 1 m2. Сериозно внимание се обръща и на издръжливостта на панелите по отношение на вредни атмосферни въздействия. Сред използваните технически решения в тази насока са покриване на панела с етиленвинилацетатна смола или устойчив на ултравиолетовите лъчи полимер. Недостатък на свързването е, че дори една фотоволтаична клетка да не е осветена, мощността на слънчевия панел намалява приблизително наполовина.
Експлоатационният срок на слънчевите панели е между 10 и 25 години, като в края на живота им доставяната от панела мощност намалява най-много с 20%.

Фотоволтаични колектори
Неголямата площ на слънчевите панели ограничава мощността и напрежението им. За преодоляване на този проблем се използват фотоволтаични колектори с голям брой панели. Не съществуват ограничения по отношение на броя слънчеви панели, обхванати от един колектор. Следователно не съществуват ограничения и по отношение на мощността на колекторите, което ги превръща в основния градивен елемент на слънчевите електроцентрали.
Постоянното напрежение се преобразува в променливо напрежение чрез DC/AC преобразуватели (инвертори). Максимална мощност фотоволтаичните колектори осигуряват при перпендикулярно попадане на слънчевите лъчи върху тях, което е определящо при избор на място и начин за монтирането им.
Съществуват и слънчеви системи (особено с по-големи мощности), при които носещата конструкция осигурява автоматично движение на панелите с оглед следене на положението на Слънцето върху хоризонта.
Специфичен параметър на всяка система е количеството произвеждана енергия за едно денонощие от 1 m2  площ на фотоволтаичен колектор.

Видове фотоволтаични системи
Обикновено, системите за производство на електроенергия на базата на слънчева енергия се класифицират в четири основни вида. Първият вид представляват т.нар. самостоятелни системи, които осигуряват електрическа енергия само при наличие на достатъчно силна светлина. Те генерират постоянно напрежение. Подходящи са главно за монтаж в отдалечени места.
Вторият вид слънчеви системи осигуряват електрозахранване и при отсъствието на слънце, тъй като разполагат с акумулатор и зарядно устройство. Акумулаторите са от типа Deep-Cycle, което означава възможност за пълно разреждане и консумиране продължително време на сравнително малък ток. Съществуват разновидности на системата, които са без и със инвертор, а като най-подходящи се определят оловните и никел-кадмиевите акумулатори. Използват се в дворове и градини, за захранване на знаци и информационни табла по пътища и в някои отдалечени места. За зареждане на акумулаторите на електронни устройства са разработени фотоволтаични панели с вградено зарядно устройство.
Следващият вид са т.нар. системи с генератор, които освен акумулатор имат генератор с дизелов двигател, включващ се автоматично при разреждане на акумулатора. Тяхна разновидност са хибридните системи, обикновено с по-голяма мощност, в които генераторът се включва при повишаване на консумацията дори през светлите часове на денонощието.
И последният, вероятно най-масово използван вид, са системи, които се свързват към електрическата мрежа. Те използват енергия от мрежата при недостатъчно количество светлина. Също така захранват мрежата срещу заплащане. Задължително използват инвертори.

Стандартни условия на работа на фотоволтаиците
Ефективността на един фотоволтаик зависи от много фактори, включително температура на кристала, спектър на светлината, ориентация към слънцето, географско местоположение, в което е инсталиран и др.
Прието е всички параметри на фотоволтаиците да се задават за точно определени условия, наречени стандартни, които включват температура на клетката 25 °С, енергия на светлината Еl = 1000 W/m2 и слънчев референтен спектър АМ1.5 (пътят, изминаван от светлината в атмосферата е 1,5 пъти по-голям от най-краткия, когато Слънцето е в зенита си).

____

____

 
Advertisements

Вашият коментар

Попълнете полетата по-долу или кликнете върху икона, за да влезете:

WordPress.com лого

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Промяна )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Промяна )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Промяна )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Промяна )

Connecting to %s

%d bloggers like this: