Фотоэлектрические системы, работающие с сетью, равно как и автоном­ные фотоэлектрические системы, уже были рассмотрены в главе 6. Батареи из солнечных фотоэлектрических модулей могут быть расположены на открытом пространстве (как показано на рис. 18.35 — 18.37 и 18.53 — 18.56) или непосред­ственно встроены в архитектуру зданий (рис. 18.38 и 18.39).

Существуют также мобильные фотоэлектрические системы различных размеров и конфигураций для использования в отдаленных районах, не связан­ных с электрическими сетями. Научные экспедиции, кочующие пастухи, жите­ли отдаленных мест и т. д. используют эти системы. Большие системы такого типа, используемые в Антарктике, можно видеть на рис. 18.31. Небольшая сис­тема показана на рис. 18.32, а на рис. 18.34 — солнечная электростанция мощно­стью Рмакс= 20 кВт, установленная на Факультете математики и физики Карлова Университета в Праге (Faculty of Mathematics and Physics at Charles University, Prague). Схема большой многоцелевой фотоэлектрической системы приведена на рис. 16.1.

Экстренные телефоны-автоматы, расположенные вдоль шоссе, например во Франции, разработаны как автономные фотоэлектрические системы, не свя­занные с сетью. Стенд с фотоэлектрической панелью заряжает аккумулятор, размещенный на оранжевом стенде (рис. 18.84). Аккумулятор приводит экс­тренный телефон в действие, антенна для радиосвязи видна сверху. Подобный проект иногда используется для питания городских счетчиков времени на ав­томобильных стоянках.

Если автономная фотоэлектрическая система используется для обеспече­ния электроэнергией системы освещения, например в домах, не связанных с электрической сетью, желательно использовать энергоэффективные источники освещения.

Известно, что низкая эффективность стандартных ламп накаливания (ц и 3 %) отрицательно влияет на расход энергии. Значительная часть расхо­дуемой электроэнергии теряется как невидимая инфракрасная радиация и теп­лота (вследствие высокой температуры). Даже когда электрическая сеть до­ступна, владельцы или операторы многих зданий, где осветительная аппаратура включается на длительное время, переходят на использование энергосберегаю­щих флуоресцентных ламп с намного более высокой эффективностью (т| я 18%) и значительно большим временем жизни.

Последними инновационными достижениями в технологии освещения являются полупроводниковые источники света, использующие высокую яр­кость светодиодов (LED). Их эффективность может достигать 40%, что в 13 раз выше эффективности стандартных ламп накаливания, в 6 раз галогеновых ламп и в 2 раза самых эффективных флуоресцентных ламп. Эти источники света но­вого поколения делают возможным обеспечить значительную экономию элек­троэнергии в секторе освещения. Кроме того, их время жизни составляет, по крайней мере, 50 000 часов, что в 50 раз больше, чем время жизни стандартных ламп и в 8 раз больше, чем время жизни самых эффективных флуоресцентных ламп. Кроме того, светодиодные источники света разработаны в форме, удоб­ной для замены стандартных источников света. Они пригодны для исполь­зования во всех существующих системах электроснабжения, например для U — 12-S-24 В (постоянный ток — DC), или для U = 230 В (переменный ток — АС), а также с унифицированным цоколем для ввинчивания в существующие осве­тительные патроны.

Стандартные светодиоды испускают эффективно преимущественно мо­нохроматическое излучение, вырабатываемое в результате рекомбинации элек­тронов и дырок в области р-n перехода при прохождении через него электриче­ского тока. Длина волны испускаемой радиации определяется структурой рас­пределения энергетических уровней в используемом полупроводнике, и, преж­де всего энергетическим барьером, каким является ширина запрещенной зоны, и примесными уровнями. Элементарная теория полупроводников была кратко изложена в главе 7. Там был рассмотрен в общих чертах механизм генерации электрического тока в цепи, в которую включен диод, при попадании фотона на его поверхность. Таким образом, освещенный диод может стать источником энергии. Работа светодиодов может быть описана как обратный процесс. Элект­рический ток из внешнего источника вызывает эмиссию света вследствие реа­лизации рекомбинационных процессов электронов и дырок. Энергия (и поэто­му частота, см. главу 3) образованного фотона зависит от различия между энер­гетическими уровнями электрона до и после рекомбинации. Обычные свето­диоды могут быть красными, зелеными, желтыми, синими и ультрафиолетовы­ми. Среди самых новых типов полупроводниковых источников света можно отметить светодиоды, дающие белый свет, вследствие сложения нескольких цветов. Они основаны на диоде, испускающем фотоны в синем спектральном диапазоне, а линии спектра в зеленом, желтом и красном диапазонах добавля­ются с помощью люминофоров. Люминофоры в состоянии поглощать фотоны более высокой энергии и затем излучать электроны с более низкой энергией и, таким образом, с большей длиной волны. Спектры эмиссии нескольких диодов показаны на рис. 16.2.

В спектре белого света индивидуальные спектральные линии смешива­ются, потому что применяемый фотометр использовался с относительно длин­ным шагом.

Угловое распределение излучения определяется формой компаунда, от­литого в направлении испускаемой радиации. Изготовитель устанавливает яр­кость диода в 10 свечей для диодов желтого цвета. Рассчитанная световая эф­фективность — приблизительно 160 лм/ Вт. Известные производители утверж­дают, что световая эффективность стандартных ламп накаливания 10 лм/Вт, 20 лм/Вт для вольфрамово-галогеновых ламп и 60-100 лм/Вт для разрядных ламп. Очевидно, что эти значения соответствуют эффективности преобразова­ния электрической энергии в световую для желтых диодов. Примеры некото­рых из вышеупомянутых источников света, основанных на светодиодах, пока­заны на рис. 18.78, 18.79. Можно заметить, что существуют различные модифи­кации светодиодов в зависимости от намеченного применения, с различными напряжениями подводимой электроэнергии и различными цоколями (например, с нитью Е27, с штифтовым цоколем типа BA 15s или типа BA 15D для ис­пользования в качестве стоп-сигнала или указателей поворота для автомобилей [40, 41]). Кроме того, светодиоды белого цвета все чаще используются для ав­томобильных фар и в ближайшее время могут даже заменить весьма эффектив­ные ксеноновые лампы.

Подобные источники для уличного освещения уже были разработаны. Их преимущество состоит в том, что они могут быть включены безаварийно при любой температуре, в них проблема холодного старта устранена.

■

Мы протестировали эти источники света с автономной, не связанной с се­тью фотоэлектрической системой в лаборатории Чешского сельскохозяйствен­ного университета [39]. Рисунок 18.80 демонстрирует источник света, вклю­чающий 100 желтых светодиодов и с полной подводимой мощностью Р = 6 Вт, с питанием от электрических аккумуляторов, которые заряжаются от фотоэлектрических модулей. На рис. 18.82 показан пример уличного освещения с энергосберегающими натриевыми лампами низкого давления. Панель заряжа­ет аккумуляторы в течение дня, а лампы работают в течение ночи. Светофор в Шанхае (Китай) с экономичными светодиодами, показанный на рис. 18.83, ра­ботает на таком же принципе.

Современные высокоэффективные источники света находят все более широкое применение. Естественно, они имеют разные спектральные характери­стики излучения. Совершенно очевидно, что как по мощности светового пото­ка, так и по его спектральному составу излучение этих источников может су­щественно отличаться от спектра стандартного солнечного излучения. Эти раз­личия могут существенно влиять на самочувствие людей и животных, в том числе на производительность труда, создавать дискомфорт. Поэтому, применяя такие источники света, совсем не лишним будет точно знать их спектральные характеристики и постоянно оценивать то, в какой степени спектр этих искус­ственных источников света соответствует спектру солнечного света, которым мы постоянно пользуемся. Напомним, что под стандартным наземным солнеч­ным излучением AM 1,5 следует понимать световой поток мощностью 1000 Вт/м2, спектральный состав которого директивно утвержден Международной энергетической комиссией (МЭК) и отражен в [138, 139].

Знание этих отличий является также актуальной проблемой в области метрологии характеристик фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) в про­цессе их изготовления и эксплуатации.

Нами [137] была поставлена и решена задача по выработке алгоритма и разработке методологии проведения таких оценок для любых, в особенности впервые используемых, источников света. Решение поставленной задачи осно­вывалось на сопоставлении спектрограмм токовых фотооткликов кремниевого фотопреобразователя, предварительно тарированного в условиях стандартного солнечного излучения, с результатами выполненных затем экспериментальных измерений его параметра под воздействием исследуемого источника посредст­вом использования нескольких (более 10) светофильтров, полосы пропускания которых равномерно распределены в диапазоне длин волн поглощения полу­проводникового материала ФЭП (кремния).

На рис. 16.3 схематично представлены сопоставляемые спектрограммы фотооткликов одного и того же виртуального фотопреобразователя. Одна спек­трограмма построена по результатам тарировки фотопреобразователя в условиях

Рис. 16.4. Фотоотклики фотопреобразователя (Si)
от различных типов источников света (кривая 2) на фоне фотооткликов
от стандартного СИАМ 1,5 (кривая 1)

стандартного солнечного излучения (кривая 1). Вторая (кривая 2) нормирована для исследуемого источника света. За критерий количественной оценки степени спектрального соответствия исследуемого источника света параметрам солнеч­ного излучения для AM 1,5 выбиралось отношение области, общей для обеих спектрограмм (заштрихована), к полной области (площади) спектрограммы, со­ответствующей стандартному солнечному излучению (площадь под кривой 1).

Площади, охватываемые обеими спектрограммами, равновелики.

Не останавливаясь на деталях разработанного подхода, отметим только, что с использованием разработанного алгоритма были получены данные о сте­пени соответствия спектра нескольких искусственных источников тока спек­тральному составу стандартного солнечного излучения (рис. 16.4).

Представленные данные показывают, что искусственные источники света разной природы и разных конструкций значительно отличаются по своим спек­тральным параметрам и при их выборе для использования не следует забывать и о такой их характеристике, как степень соответствия спектру солнечного излучения.

Работающие на солнечной энергии автомобили (рис. 18.88) до настояще­го времени все еще относительная редкость, но то же самое можно было ска­зать относительно первых автомобилей во времена конных экипажей. Между­народные гонки с гелиоприводными автомобилями проводятся регулярно, наи­большая из них — трансконтинентальная гонка в Австралии. В этих гонках сол­нечноприводные автомобили-победители достигают средней скорости 90 км/час. Группа энтузиастов участвовала в проектировании солнечноприводного автомобиля в Чешской республике, на факультете транспорта Чешского Техни­ческого Университета [38]. Они приняли участие в нескольких международных гонках в Австрии, завоевав второе место в 1998 г.

Солнечная энергия может также использоваться для производства водо­рода электролизом воды, который может быть применен для энергоснабжения автомобиля. После испытания экспериментальных моделей в США началось массовое производство автомобилей с водородом в качестве топлива. Некото­рые шоссе были уже оборудованы необходимыми заправочными станциями. В недалеком будущем можно ожидать появления мобильных сельскохозяйст­венных машин или судов, приводимых в действие топливными элементами или двигателями внутреннего сгорания на основе жидкого водорода в качестве топ­лива (и таким образом также использующих солнечную энергию).

Солнечные насосные системы широко распространены. Они могут ис­пользоваться для того, чтобы накачать питьевую воду из колодца или, напри­мер, воду для ирригации в сельском хозяйстве, Чем больше светит Солнце, чем суше становится почва, тем больше она требует воды для полива. Но чем боль­ше солнечное сияние, тем больше воды можно накачать для поддержания ба­ланса с ее помощью. Рост объема накачанной воды больше, чем рост выработки энергии, когда используется солнечная система со слежением, вместо стацио­нарного стенда. Это имеет место вследствие того, что в течение большей части дня насос работает выше его порогового уровня. Насосная система, приводимая в действие Солнцем, с солнечными панелями на стенде со слежением, таким образом, находится среди самых эффективных применений фотоэлектрических систем.

Схема солнечной насосной системы представлена на рис. 16.5. Реальная на­сосная система с автоматическими стендами слежения TRAXLE™ и макси­мальной мощностью Р = 3 кВт представлена на рис. 18.51. На рис. 18.86 пока­зана солнечная насосная система GRUNDFOS, демонстрировавшаяся на Шан­хайской выставке в 2005 г.

В литературе указывается, что приблизительно 6000 человек, главным образом дети, умирают каждый день в Африке от питья бактериологически за­грязненной воды. В некоторых странах были предприняты попытки использо­вать солнечную энергию для стерилизации воды жестким ультрафиолетовым излучением. Устройство под названием NAIADE, представленное голландской компанией Nedap на Парижской выставке в 2004 г., показано на рис. 18.87.

Солнечный фотоэлектрический модуль заряжает аккумулятор, помещен­ный в основании устройства. Этот аккумулятор питает ртутную лампу низкого

крышка электрический провод предохранительный

стояк

статический уровень

©осадочная труба насос

Рис. 16.5. Схема солнечной насосной системы

давления, которая дает ультрафиолетовое излучение мощностью 20 Вт, глав­ным образом в ультрафиолетовом диапазоне с типичной ртутной спектраль­ной линией длины волны Л = 253,7 нм. Лампа установлена в водонепрони­цаемом объеме, покрытом кварцем, который прозрачен по отношению к ультрафиолетовой радиации. Воду из источника льют в контейнер через верхнее входное отверстие, пропустив через фильтр, для удаления примес­ных макрочастиц. Сила тяжести проталкивает воду через трубу к выходу в основании контейнера над покрытой кварцем лампой. Жесткая ультрафиоле­товая радиация убивает бактерии. Объем контейнера составляет 100 литров, ежедневная производительность устройства целых 2000 литров стерилизо­ванной воды в солнечный день. Этого достаточно, чтобы обеспечить водой 400 человек. Вес пустого устройства составляет 44 кг, его можно легко транспортировать.

Применение солнечных технологий в космосе, особенно для создания ор­битальных энергетических станций, в настоящее время уже не представляется научной фантастикой. Методы надежного и безопасного транспорта энергии к Земле пока еще не разработаны, хотя большой объем исследований в этом на­правлении выполняется в ряде научных учреждений. Сегодня фотоэлектриче­ские панели уже работают на спутниках и космических кораблях, запущенных на орбиты, близкие к Солнцу, обеспечивая их энергией. В этих условиях Солн­це — самый эффективный источник энергии.

На орбитах, отдаленных от Солнца, интенсивность солнечного излучения слишком низкая, поэтому эти спутники вынуждены нести с собой радиоактив­ные материалы для нагрева термоэлектрических батарей, использующих тепло­вую энергию, высвобождаемую в процессе радиоактивных преобразований. Международную Космическую станцию ISS, на которой видны солнечные па­нели, можно видеть на рис. 18.89.

Солнечные модули, расположенные на Луне для обеспечения энерго­снабжения научных инструментов во время реализации Программы «Аполлон», показаны на рис. 16.6.

Кроме производства электрической энергии существует много других возможностей использования солнечного излучения. Поскольку эта книга спе­циализируется на фотоэлектричестве, мы упоминаем их только мимоходом.

Существует множество публикаций, относящихся к тепловому использо­ванию солнечной энергии, такому как солнечное отопление или приготовление горячей воды. Комбинированную фото-тепловую систему для нагрева воды, в которой используется насос, питаемый от фотоэлектрической панели, пред­ставленную на Шанхайской выставке 2005 г., можно видеть на рис. 18.85.

Для тестирования фотоэлектрических модулей и элементов существует международный стандарт IEC 61215 [49]. Лаборатории, получившие разре­шение на выполнение работ по тестированию и сертификации фотоэлектриче­ских модулей, обязаны работать в полном соответствии с требованиями этого стандарта. Стандарт относительно строг. После установки и пуска в эксплуата­цию фотоэлектрические модули подвергаются воздействию погодных условий в течение многих десятилетий. Они должны нормально функционировать при изменениях температуры, влажности, воздействии кислотных дождей, в усло­виях образования льда в течение всего периода их эксплуатации. Кроме того они должны противостоять механическим воздействиям града и сохранять прочность при контактах с животными. Каждый тип модулей проверяется от­дельно. Тестирование проводится в соответствии с требованиями, предусмот­ренными стандартом. Это занимает примерно 4 месяца и стоит приблизительно 35 000-55 000 евро.

Таким образом сертификация панелей стоит достаточно дорого, их про­изводитель платит относительно большие денежные суммы заранее, без ка­ких-либо гарантий получения успешных результатов испытаний. Однако если изготовитель хочет выпускать и продавать модули, он должен пройти эту процедуру.

Упомянутый выше стандарт довольно обширен, для ознакомления с дета­лями читатель адресуется к оригиналу. Здесь мы ограничимся рассмотрением только основных его положений.

На рис. I5.ll представлен базисный блок для всего тестирования. Рису­нок представлен в оригинальной форме первоисточника. Приводится перевод на русский язык всех используемых в этой блок-схеме обозначений с поясне­ниями и расшифровками.

Никакого стандарта, подобного вышеописанному, для проверки стендов слежения еще не существует, хотя они находятся в стадии подготовки. Поэтому мы разработали свои собственные тесты, которые описываются ниже. Разрабо­танные тесты заимствованы из нижеуказанного стандарта для оценки воздейст­вия ветра на сооружения.

Для оценки продолжительности жизни наших солнечных энергетических систем было выполнено множество тестов, в которых особое внимание было уделено стойкости против воздействия ветра и изнашиванию движущихся ком­понентов. Более детально эти результаты рассмотрены особо, например в [36]. Так как эти устройства используются вне помещений, снаружи, они должны соответствовать правилам техники безопасности, относящимся к сопротивле­нию ветровым нагрузкам.

Соотношения между сопротивлением ветру солнечной энергетической сис­темы и силой ветра были исследованы и теоретически, и с помощью статических или динамических тестов под воздействием моделируемого напряжения. Мы не нашли каких либо упоминаний об испытаниях на воздействие ветра в аэродина­мической трубе стендов со слежением с полноразмерными солнечными панелями.

Международный стандарт CSN Р ENV 1991-2-4 имеет отношение к оценке сопротивления различных конструкций ветровым нагрузкам. Мы про­гнозировали, что для самых суровых европейских условий типичная макси­мальная скорость ветра на уровне земли VMaKC=160 км/ч. И именно этой скоро­сти должны противостоять все наружные сооружения. Поэтому мы проверяли свои установки именно на этой скорости ветра [2, 36], имея в виду, что более сильные ветры вызвали бы значительные повреждения вообще многих типов наружных сооружений.

Наш автоматический стенд слежения типа TRAXLE™ защищен против воздействий ветра трансмиссией с автоблокировкой с максимальным крутящим моментом М = 500 н-3500 Н м, который зависит от размера установки. Его конструкция отлажена так, чтобы противостоять воздействиям ветра на скорос­тях до VMaKC = 160 км/ч. Реальный инсталляционный тест на устойчивость вет­ровым нагрузкам был выполнен в большой аэродинамической трубе диаметром

З метра Исследовательского Института Аэронавтики и Тестирования в Праге. Этот институт уполномочен выполнять аэродинамические тесты. Наш стенд был установлен в трубе в четырех различных положениях относительно на­правления ветра. В частности, мы исследовали стенд, установленный перпен­дикулярно направлению ветра с лицевой стороны, тыльной стороны и сбоку, а также косонаправленно с тыла под углом 45°. Скорость ветра медленно уве­личивалась до V = 160 км/ч и поддерживалась на этом уровне в течение трех минут. В ходе всех четырех тестов никакие нежелательные эффекты в по­токах ветра вокруг конструкций не наблюдались. Вся солнечная энергетическая система вела себя спокойно и демонстрировала только умеренную вибрацию. После последнего теста мы увеличили скорость ветра на очень короткое время до V = 180 км/час. Даже при этой скорости ветра солнечная энергетическая система вела себя спокойно. В процессе проведения аэродинамических испыта­ний повреждения нашей установки не наблюдалось.

Автоматическая ориентация солнечной энергетической системы функ­ционировала надежно постоянно. Рисунок 18.97 показывает нашу маленькую солнечную энергетическую систему во время испытания в аэродинамической трубе.

В связи с существующими финансовыми ограничениями мы были не в состоянии продолжить далее аэродинамические испытания оборудования раз­личных габаритов для автоматической ориентации солнечных панелей. И при этом мы не измеряли фактические силы и не сравнивали их с теоретическими ожиданиями, но намереваемся провести эти тесты в будущем.

Согласно [37] сила воздействия ветра со скоростью v в воздушной среде плотностью р на прямоугольную площадку S, ориентированную перпендику­лярно направлению воздушного потока, задается формулой где сх — аэродинамический коэффициент сопротивления.

Для плоской прямоугольной площадки S0, ориентированной перпендику­лярно направлению потока, она принимает значения от сх = 1.18 для alb = 1 до сх = 2 для а/Ь — оо, где alb — отношение длин сторон прямоугольника. Некото­рые другие значения этого параметра приведены в таблице 15.1.

Другие испытания на время жизни оборудования выполнены в Испании в сотрудничестве с BP Solarex. Две солнечные энергетические системы со следя­щим стендом типа TRAXLE™ были установлены в реальных условиях на Ка­нарских островах в ITER институте (рис. 18.48). Каждая была снабжена шестью фотоэлектрическими модулями максимальной мощностью Рмакс = 500 Втр. Оба устройства надежно работали в течение 18 месяцев, несмотря на чрезвычайные погодные условия.

Шквалистые порывы ветра вызывали постоянные колебания всей конст­рукции, бури со скоростями ветра до V = 160 км/ч случались часто. После ис­пытательного периода одна установка была демонтирована и изъята. Изнаши­вание движущихся частей было найдено минимальным.

Инсталляционная надежность для наших систем была также проверена в реальных эксплуатационных режимах. У нас есть много систем, которые ра­ботали в течение нескольких лет не только в Чешской республике, но и в Гер­мании, Великобритании, Швейцарии, Испании, Австралии, Мальте, Монголии, России, Китае и др.

Если мы устанавливаем большую фотоэлектрическую систему, состоя­щую из большого числа стендов с фотоэлектрическими модулями, то взаимное затенение стендов становится очень важным параметром для рассмотрения в процессе установки. В Центрально-европейских условиях системы со слежени­ем требуют для установки площади приблизительно в 3 раза большие, чем си­стемы с неподвижными стендами (рис. 15.10) [56].

Рис. 15.10. Зависимость ежегодных относительных потерь вследствие
затенения от относительного покрытия территории в Центральной Европе

В странах с более низкими ценами на землю (что пока имеет место в Чеш­ской республике и в Российской Федерации) это обстоятельство не представля­ется большой проблемой. Хотя и в России, с ее огромными просторами, есть немало мест, где стоимость земли вполне сравнима со многими странами Запа­

да, если не превышает их. В Германии, где цены на землю очень высоки, это обстоятельство становится очень важным фактором.

Взаимное затенение стендов уменьшается к экватору. В Испании, напри­мер, стенды со слежением требуют всего в два раза больше площадей, чем установки со стационарными стендами. Цены на землю в Испании сравни­тельно низки. Следовательно, количество произведенной энергии здесь может быть в два раза большим для системы с двусторонними солнечными панелями со следящим за Солнцем стендом и гребневым концентратором по сравнению с ФЭ системой со стационарным стендом и без концентратора солнечного излу­чения.

Эти системы слежения основаны на использовании принципа действия формозапоминающих сплавов, например NiTi. Такие сплавы, будучи подвер­женными деформации, «помнят» свою изначальную форму и, достигая опреде­ленной температуры, так называемой температуры преобразования, возвраща­ются к ней. Сплавы с двусторонним элементом памяти возвращаются к перво­начальной форме после понижения температуры. Если используется компонент с односторонней памятью формы, должен использоваться дополнительный компонент, например классическая пружина, с тем чтобы возвратить сплав к его деформированной форме. Эти характеристики могут обеспечить компонен­ты, изготовленные из таких сплавов, которые позволяют выполнять механиче­скую работу при повторяющихся циклах нагрева и охлаждения.

Существуют различные конструкции систем слежения, основанных на этом принципе. Мы представляем концепт такого устройства [17]. Это устрой­ство состоит из вращательно связанных статора и ротора, а также снабжено линзой, необходимой для того, чтобы сконцентрировать солнечное излучение. В качестве приводов использованы пружины, сделанные из титано-никелевого сплава памяти формы и выполненные как вогнутые металлические листы, по­мещенные в центр линзы. Работа системы основана на том факте, что приводы, размещенные в ящике, имели поверхности, подготовленные для поглощения энергии солнечного излучения. Один конец прикреплялся к ротору, другой — к статору, что делало возможной прямую передачу силы от привода к ротору. Выпуклая линза, установленная над ящиком, прикреплялась к ротору, а ее фо­кус попадал на конец привода, присоединенного к ротору. Присоединение лин­зы к ротору гарантирует, что оптическая ось линзы всегда будет более или ме­нее параллельна падающей радиации.

Направление фокуса линзы на конец привода автоматически регулирует энергию солнечного излучения, падающего на приводы (петля обратной связи). Ротор связан с вращательной осью стенда слежения. Рис. 15.4 иллюстрирует работу устройства, описанного выше. Виден цилиндрический блок с линзой, закрепленной на нем. Оптическая ось линзы ориентируется перпендикулярно к продольной оси блока. Цилиндрический блок с ротором U-образной формы, ус­тановленным на нем таким образом, чтобы он мог вращаться, размещен на час­ти сегмента оси, зафиксированной на статоре прямоугольной формы который виден внутри блока.

Приводы выполнены из двустороннего формозапоминающего сплава в виде металлических листов вогнутой формы и помещены в блок в фокусе ахроматической линзы. Толщина приводов увеличивается от их концов к их центрам, от 0,5 мм до 1,0 мм. Зеркало, установленное между приводами, защи­щает их от перегревания, отражая лишнее солнечное излучение

Внутренние поверхности приводов покрыты слоем, абсорбирующим сол­нечное излучение, и металлической фольгой. Последнее предотвращает потери іепла за счет излучения от приводов. Внешняя поверхность приводов покрыта теплоизолирующим слоем. При температурах ниже температуры преобразова­ния формы приводы деформированы и имеют вогнутую форму, показанную на рис. 15.4,а.

Перед восходом Солнца оба привода находятся в своих начальных поло­жениях (рис. 15.4,а). После восхода Солнца ахроматическая линза концентриру­ет солнечное излучение на одном из приводов. Когда температура привода пре­высит температуру формопреобразования, привод деформируется до тех пор пока фокус ахроматической линзы не сдвинется к зеркалу, которое отразит излу­чение назад из блока (рис. 15.4,6). Каждое изменение в положении центра ахро­матической линзы вызывает такую деформацию приводов, которая автомати­чески устанавливает ротор так, что зеркало фиксируется в центре линзы Пре­делы слежения, в которых в этом случае ротор может изменять свое положение,

Рис. 15.5. Идеализированная зависимость выработки электроэнергии от времени
в течение дня для стационарных модулей (фиксированный стенд) и для модулей
с системами слежения, управляемыми пружинами из формозапоминающих
сплавов, в летние и зимние периоды

составляют около 120°. Устройство может быть сконструировано в форме простой модификации, с использованием односторонних приводов на основе сплава памяти формы и классической пружины для возвращению устройства к стартовой позиции.

Однако у описанного устройства при наличии многих преимуществ есть и некоторые неудобства. Во-первых, оно работает с очень низкой эффективно­стью. Кроме того, при низких зимних температурах устройство или не работает совсем, или утренняя ориентация модуля на восток производится только поздно утром, когда Солнце уже высоко над горизонтом. Это имеет место вследствие того, что при холодной погоде для приводов очень трудно достичь температу­ры преобразования формы. Если же использовать сплав памяти формы с более низкой температурой преобразования, то летняя температура не уменьшилась бы до этого значения, что вызвало бы летние отказы, когда результирующие потери мощности были бы еще выше чем зимой.

Рис. 15.5 представляет идеализированную кривую мощности модуля как функцию времени дня для неподвижного модуля и для модуля, оснащенного системой слежения на основе описанной выше конструкции (сплавами памяти формы) в течение зимнего и летнего сезонов. Очевидно, что зимой, когда вос­точная переориентация происходит поздно, общая сумма энергии, произведен­ной модулем с системой слежения, еще ниже, чем для неподвижного модуля. (Количество произведенной энергии пропорционально области ниже кривой на диаграмме). Небольшое уменьшение выходной мощности фотоэлектрических модулей с системой слежения по сравнению с неподвижными фотоэлектриче­скими панелями в полдень происходит из-за их более высокой температуры и, соответственно, уменьшенной эффективностью фотоэлектрического преобра­зования солнечной энергии.

Неудобства вышеописанных устройств для автоматической ориентации устранены в новом устройстве под названием, 1Г "23J (для СЛедящей оси)> изготовленном компанией Poulek So­ar Ltd. Poulek Solar Ltd — это компания, работающая в научном плане в сотруд­ничестве с Инженерным факультетом Чешского университета сельского хозяй­ства (Прага), а также с ВИЭСХом.

Схематически устройство представлено на рис. 15.6 [2, 18. 20, 50]

Идея устройства состоит в том, чтобы установить контрольную панель (с солнечными элементами для преобразования солнечной энергии в электри­ческую) на оси вращения. Панель состоит из двух секций, повернутых на 180° друг относительно друга (главная секция в западном и дополнительная секция в восточном направлении). Плоскость контрольной панели отклонена в восточ­ном направлении от плоскости перпендикулярной панели солнечных элементов (и параллельной оси вращения) под углом приблизительно 15-20° Обе сек­ции антипараллельно соединены с электромотором, присоединенным к оси вращения устройства (см. коммутационную схему на рис. 15.7).

запад

Угол Д должен быть подобран так, чтобы, если угол падения солнечного излучения (р > 90° — Д то мощности двигателя будет недостаточно, чтобы ориен­тировать устройство, но если угол падения солнечного излучения <р< 90° — Р, то мощность двигателя будет достаточной, чтобы ориентировать устройство. Таким образом, если контрольная панель освещена солнечным излучением с какой-либо стороны с углом падения (р < 90° — Д то сигнал от этой стороны бу­дет более сильным, чем сигнал от противоположной стороны, и электроэнер­гия, произведенная контрольной панелью, заставит двигатель поворачивать систему так, чтобы увеличить угол падения относительно контрольной панели. Вращение останавливается, когда угол падения будет равен <р = 90°- Д потому что в этом случае питание двигателя становится ниже порога, необходимого для того, чтобы переориентировать систему. Поскольку угол падения относи­тельно контрольной панели уменьшается из-за движения Солнца по небоскло­ну, система перемещается, чтобы увеличить его снова. В солнечный день сис­тема поворачивается пошаговым возрастающим способом (а не непрерывно) с востока на запад. Наши измерения показали, что отклонение системы от пер­пендикуляра по отношению к направлению солнечного излучения в худшем случае составляет А<р < 5°.

Имея в виду, что проекция фотоэлектрических панелей на плоскость, перпендикулярную к направлению солнечного излучения, прямо пропорцио­нальна косинусу угла падения, мы можем видеть, что различие в обеих облас­тях меньше, чем 4 промилле. Влияние этого различия на количество произве­денной энергии, очевидно, незначительно. Это устройство использует отрица­тельную обратную связь, энергия от контрольной панели питает двигатель. Ме­ханическое сопротивление системы и сопротивление среды действуют против этой движущей силы.

В солнечный день устройство работает следующим образом. Утром, пе­ред восходом Солнца, устройство обычно ориентировано на запад, т. е. нахо­дится в положении, в котором установка прекратила работу предыдущим вече­ром. После восхода Солнца солнечное излучение попадает на вспомогательную секцию контрольной панели, связанной с двигателем (рис. 15.6, а). Двигатель заставляет устройство поворачиваться к Солнцу, к восточной ориентации до тех пор, пока мощность, питающая двигатель, не понизится ниже порогового уровня, необходимого для того, чтобы ориентировать установку.

Затем устройство ориентируется грубо на Восток, и тогда угол падения солнечного излучения составит <р = 90° — Д. Далее Солнце перемещается на запад на угол 2р. В этом диапазоне углов преобразователи солнечной энергии не от­слеживают Солнце, потому что мощность, подаваемая на двигатель, слишком мала, чтобы переориентировать их. По мере дальнейшего движения Солнца на Запад солнечное излучение начинает попадать на главную секцию контрольной панели, связанной с двигателем. Двигатель, приведенный в действие энергией от контрольной панели, поворачивает устройство с тем, чтобы следовать за Солнцем на Запад. Модуль следует за Солнцем пошагово (рис. 15.6, б, с). Рисунок 15.6, б

показывает, что независимо от того, с какой стороны светит Солнце, контрольна» панель всегда освещается солнечными лучами. Это важно для ситуаций, для ко­торых облачность вероятна в более длинные периоды в течение дня.

Обе стороны контрольной панели скомпенсированы в смысле воздейст­вий однородной диффузной солнечной радиации. В данном устройстве одна из этих двух секций, включенных встречнопараллельно, всегда отклоняется от прямой солнечной и околосолнечной радиации, и диффузной солнечной радиа­цией можно пренебречь. Устройство использует и прямую солнечную и около­солнечную радиацию. В стандартном режиме оно использует всю выходную мощность фотоэлектрических элементов, связанных с двигателем (не только дифференциал мощности, как в случае пирамиды фотоэлементов). Поэтому для контрольной панели совсем не обязательно иметь строго плоские и параллель­ные стороны. Контрольная панель не должна быть обязательно расположена на оси вращения, но может, например, располагаться на гребне концентратора солнечного излучения, как на рис. 18.59. Обе секции могут быть установлены и отдельно на сторонах фотоэлектрической системы, как на рис. 18.56 и 18.100.

Точность слежения за Солнцем, необходимая для получения максималь­ной выработки энергии, составляет около А<р< 10°, допускающего преимуще­ственно прямое солнечное излучение. Система слежения TRAXLE™ отвечает этим требованиям в такой степени, чтобы точность слежения за Солнцем была оптимальна, но не максимальна. Точность слежения за Солнцем, необходимая для получения максимальной выработки энергии, составляет всего лишь около А<р <30° при доле рассеянного солнечного излучения более 50%. В предельном случае, при полностью облачном небе с наличием только рассеянной радиации, в слежении за Солнцем нет необходимости.

При установке электромотора в полую ось вращения устройства, его сборка облегчается. Устройство, кроме того, более компактно, чем сущест­вующие конструкции с линейными электроприводами. Двигатель представляет юбой механизм с автоблокировкой, которая защищает его от повреждения внешними силами, такими, как порывы ветра. Двигатель, перемещая торсион — но-деформируемую призму, параллельную продольной оси стенда, обеспечива­ет передаточное отношение 1 : 1000. Ведущая гайка, зафиксированная на под­вижной части стенда, установлена на призме. Прямое присоединение электро­мотора к солнечным элементам, без каких либо еще дополнительных электрон­ных схем делает устройство более простым и, таким образом, более надежным. )го устройство имеет значительно более низкие издержки производства, более простую и более компактную конструкцию, а также более высокую эффектив­ность, по сравнению с другими устройствами для ориентирования плоских сол­нечных модулей, как описано выше. Кроме того, это устройство работает без каких-либо других источников энергии, потому что солнечная энергия исполь — іуется и для того, чтобы привести двигатель системы в действие. Реально су­ществующие фотоэлектрические системы со слежением с помощью стенда типа IRAXLE представлены на рис. 18.47 — 18.51 и 18.57 — 18.60. Система, уста­новленная и испытанная в Чешском Университете сельского хозяйства (г. Прага),

Рис. 15.8. Принципиальная схема системы слежения TRAXLETM с углом 360°
для использования за Полярным кругом

приводится нарис. 18.98 — 18.101. На рис. 18.55 — 18.56 и 18.103 представлены фотоэлектрические электростанции с системой слежения типа TRAXLE1 ‘.

Существует также вариант системы TRAXLEIM, пригодный для отслежи­вания положения Солнца в пределах 360° — для использования в районе Поляр­ного круга или в космосе [19]. В этом случае ось вращения и ФЭ панели ориен­тируются вертикально. Вместо винтовой передачи используется эпицикличе­ская передача, пульт управления размещен перпендикулярно к фотоэлементам под углом р.

Двусторонние солнечные панели эффективны в тех случаях, когда облач­ность длится существенно длительный период, а затем появляется Солнце. В этом случае система может повернуть в сторону Солнца переднюю или тыль­ную плоскости — в зависимости от непосредственного положения Солнца отно­сительно ФЭ системы. Схематическая диаграмма такой конфигурации представ­лена на рис. 15.8. Электронная схема такой системы еще более проста, чем опи­санная ранее. Можно заметить, что в этой конфигурации фотоэлектрические па­нели не ориентируются перпендикулярно к солнечному излучению, но угол па­дения равен точно значению р. Реальная система изображена на рис. 18.52.

Существуют также системы, автоматически отслеживающие положение Солнца относительно двух осей. Двухосное слежение используется иногда для того, чтобы еще больше увеличить количество произведенной энергии [27, 48]. Такую систему фотоэлектрических панелей, представленную на выставке в Барселоне в 2005 г., можно видеть на рис. 18.68. Рисунок 18.69 представляет систему, показанную в 2007 г. в Милане. Однако представляется сомнитель­ным, что усложнение и удорожание устройств, обеспечивающих перемещение панели по двум осям, в достаточной степени компенсируются увеличением вы­работки электроэнергии. Слежение за Солнцем относительно второй оси может увеличить количество выработанной энергии на 5% в лучшем случае, которые, возможно, в ряде случаев и не столь важны.

Рис. 15.9. Временнэя зависимость мгновенной мощности

(один со стационарным стендом, другой со слежением)

Можно показать, что слежение по второй оси эквивалентно установке по­ложения полярной оси для работы в летний и зимний периоды, т. е. можно вручную переналаживать положение оси дважды в год. Это приводит почти к такому же увеличению выработки энергии, какое было бы достигнуто при ис­пользовании автоматического слежения относительно второй оси.

На рис. 15.9 приведены примеры выполненных нами фактических изме­рений зависимости мгновенной мощности от времени для условий Праги 6 — Suchdol (50° северной широты) в течение 2005 г. Мы сравнили две идентичных панели максимальной мощностью Ртах = 40 Wp. Первая была установлена на стенде автоматического слежения за Солнцем типа TRAXLE™, другая на не­подвижном стенде без слежения. Город Прага расположен на долготе 15 граду-

сов в. д. В течение лета Солнце достигает своего самого высокого положения в небе приблизительно в 1 час после полудня.

Как уже было отмечено ранее, количество произведенной энергии соот­ветствует области ниже кривой на диаграмме. Очевидно, что рост производства энергии в солнечные дни за счет использования стенда слежения действительно значительный. 2 мая 2005 г. повышение выработки составляло 30%. 19 сентяб­ря 2005 г. наблюдалось наибольшее повышение, на 39%.

Понятно, что это различие существенно меньше в облачные дни. Можно также заметить, что энергия, произведенная в солнечные дни, больше днем в условиях Центральной Европы, так как утром атмосфера обычно содержит больше водяного пара, который поглощает радиацию в ближней инфракрасной области. Следовательно, максимум кривой для подвижной группы (со слежени­ем) имеет место в 2 часа после полудня.

Системы слежения на основе пирамид, состоящих из солнечнЬ1х элеме„ тов-датчиков [26], сравнивают сигналы (мгновенные значения выраба™ваемой энергии) от большого числа маленьких и немного разориентированн^ соГеЧ ных элементов. Схематическое изображение системы, использующей “ ^ нечных элемента, приведено на рис. 15.3. Сигналы от элементов оцеИива11“и" сравниваются относительно сложным электронным устройством котоооё управляет двигателями, перемещающими стенд слежения. С помощь^ системы электронного управления вся конструкция устанавливается таким образом чтобы напряжения от элементов 1 и 2 были равны (то есть интенсивН<ёТёГ

“3L7ZS. "™rHDea ” ”Л8а • 6“™ — —

——О —^

Пирамида ориентирует себя так, чтобы грань между фотоэлементами 1 и 9 указывала на Солнце. В этом случае Солнце лежит в плоскости нахоГ, 2 иод одним и тем же углом к обоим элементам, т. е. в плоскости их си~

Если используются две такие системы слежения, то можно управлять ориента­цией всего стенда в двух осях, и солнечные панели могут точно располагаться перпендикулярно к падающей солнечной радиации.

Ожидаемая относительно высокая точность слежения является достоин­ством таких систем слежения, но сложность системы электронной оценки сиг­налов от фотоэлементов и ее высокая стоимость представляются существенным недостатком. Более сложные устройства отличаются, кроме того, большей склонностью к отказам. Часть энергии, выработанной фотоэлектрическими мо­дулями, может использоваться для привода и перемещения стендов. Но если бы для этого потребовалось внешнее энергоснабжение, то это было бы еще одним крупным неудобством. Детали пирамиды с фотоэлементами изображены на рис. 18.46 (Париж, 2004 г.). Пирамида действует как датчик; система может приводиться в движение с помощью, например, двигателя, показанного на рис. 18.45.

Системы, основанные на принципе испарения и конденсации фреона [24, 25], очень просты, но их точность слежения низкая. Схема таких устройств представлена на рис. 15.2.

теплая канистра ^

Маленькие резервуары с фреоном присоединены к обеим сторонам урав­новешенной системы с солнечными модулями. Резервуары связаны трубой и защищены от прямого солнечного излучения экранами. Прямое солнечное из­лучение падает только на резервуар, который находится на стороне модуля, дальнего от Солнца, и нагревает его. Фреон в нем испаряется, и его пары кон-

качанием или вибрацией котпт

могут быть вызваны, например, ветром. Система, работающая на эт0м „пиний пе, производства компании Zomeworks Company представлена на рис. ,8 44…………………………………………………………………………………………………………………………

Системы слежения могут быть основаны на принципе часового механиз­ма, или на принципе использования управляемых компьютером по заданной программе сервомоторов с автоблокировкой. Они могут быть очень точными, пригодны для работы в любых погодных условиях и даже могут функциониро­вать в темноте. Подобные механизмы слежения используются при управлении ориентацией астрономических телескопов, так как телескопы также должны сканировать небо очень точно, чтобы держать наблюдаемый объект в поле зре­ния. Если используются управляемые компьютером шаговые двигатели, один компьютер может управлять несколькими следящими платформами, и их дви­жение может быть запрограммировано на работу в течение целого года. Однако такие системы сложны и дороги. Кроме того, чем сложнее система, тем больше вероятность ее отказа или поломки. Если концентрация излучения низка или равна нулю, то в высокой точности слежения нет необходимости. Потенциал этих дорогих механизмов полностью не используется. Косинус угла падения для углов (р< ± 5° отличается только в третьем десятичном разряде (см. теоре­тические расчеты выше).

Известно множество конструкций систем слежения за Солнцем, которые представляются перспективными для практического использования. Большин­ство этих конструкций защищены патентами и сопровождаются обширной и доступной литературой. Некоторые конструкции были успешно использованы на практике, другие хорошо работали в лаборатории, но потерпели неудачу при использовании в реальных условиях, когда требовалось обеспечить движение всей системы с солнечными панелями или возникала необходимость обеспе­чить их защиту в реальных погодных условиях. Здесь мы рассмотрим не только наиболее известные устройства слежения за Солнцем для фотоэлектрических систем, а также некоторые результаты тестирования этих фотоэлектрических систем с установленными на них устройствами слежения.

Практически невозможно описать все принципы, используемые при соз­дании следящих систем. Поэтому в этой главе приводится описание только не­которых, наиболее важных принципов, тех, которые достаточно широко ис­пользуются на практике.

Имеется также множество вариантов конструкций стендов со слежением. Наиболее общей является конструкция с осью вращения, показанная нарис. 15.1,а. Менее общий вариант с вертикальной осью вращения приведен на рис. 15.1,6. Эта конструкция представляется наиболее подходящей для ис­пользования в более высоких географических широтах, где изменения угла на­хождения Солнца над горизонтом меньше.

Далее мы подробнее рассмотрим некоторые часто используемые на прак­тике системы слежения.

Ранее (в главе 6) мы рассмотрели работу фотоэлектрических солнечных электростанций (СЭС) как соединенных с сетью, так и функционирующих ав­тономно, т. е. без связи с сетью. Теперь рассмотрим весьма важный вопрос о способе размещения солнечных систем, входящих в СЭС.

При формировании солнечной станции любого размера и любой мощно­сти от небольшой энергетической системы в несколько киловатт до мощной станции в десятки мегаватт всегда большое значение придается месту и спосо­бу размещения солнечных систем, входящих в СЭС.

Практика показывает, что фотоэлектрические модули устанавливаются на крышах и фасадах зданий и сооружений, непосредственно на грунте вблизи объекта или в любом удобном месте, выбор которого диктуется сложившимися условиями.

Эстетику встраивания фотоэлектрических модулей в окружающую среду или в качестве компонентов сооружений можно было бы назвать «солнечной архитектурой», той областью, которая в настоящее время бурно развивается.

Примеры установок солнечных систем можно видеть на рис. 18.29 — 18.39. Эти примеры, далеко не исчерпывающие варианты, возможные на практике, показывают, что солнечные системы можно устанавливать в самых разных мес­тах как стационарно, так и в перемещаемом (периодически) или даже движу­щемся (например, транспортное средство) вариантах.

Сооружения, на которые устанавливаются солнечные модули, принято называть платформами (стендами). При этом принципиальным является во­прос, устанавливаются эти платформы стационарно (неподвижно), без измене­ния изначально заданного положения относительно Солнца при его движении, либо таким образом, чтобы платформа с установленными на ней солнечными модулями могла перемещать таким образом, чтобы обеспечить оптимальное расположение солнечной системы по отношению к Солнцу в процессе его дви­жения по небосклону. Первые платформы принято называть «неследящими», вторые называют платформами со слежением или следящими платформами.

При проектировании и строительстве солнечных систем необходимо обес­печить достижение максимальной эффективности их работы. При монтаже сол­нечных модулей на неследящий стенд важен правильный выбор ориентации и угла наклона фотоэлектрических модулей. Обычно принимается направленная на юг азимутальная ориентация. Угол наклона в этом случае выбирается с уче­том географической широты таким образом, чтобы в полдень солнечное излуче-

ниє поступало перпендикулярно к поверхности модуля, то есть угол падения в полдень был бы равен нулю. Если тыльная поверхность модуля не установлена непосредственно у стены, можно увеличить выработку энергии, используя дву­сторонние модули, описанные ранее. Такие фотоэлектрические модули пред­ставлены на рис. 18.24. Двусторонние модули используют радиацию, отражен­ную от грунта или зданий и поступающую на тыльную сторону панелей. Эффек­тивность двусторонних модулей существенно зависит от отражательной способ­ности материалов окружающей среды. Например снег, кварцевый песок и бетон сильно отражают солнечную радиацию, тогда как трава или почва отражают солнечный свет менее активно. Некоторые материалы, такие как черная скальная порода, имеют чрезвычайно низкую отражательную способность.

При заданной отражательной способности материалов в заданном месте установки модулей может получиться так, что перпендикулярная ориентация модулей относительно солнечного излучения окажется не оптимальной, осо­бенно тогда, когда Солнце находится низко. В таких условиях, по-видимому, лучше выбрать угол установки модулей ближе к вертикали.

Чтобы гарантировать максимальную эффективность солнечных систем, рекомендуется угол установки модулей изменять по крайне мере дважды в год для адаптации к условиям работы зимой и летом. Во многих случаях на практике требуется обеспечить постоянное потребление энергии в течение всего года. Ес­ли изменять угол установки модулей в течение года невозможно, фотоэлектри­ческая система обычно оптимизируется для зимних условий работы, когда ин­тенсивность солнечного излучения минимальна. Летом генерация производимой фотоэлектрическими модулями электроэнергии обычно удваивается. Для усло­вий Центральной Европы, к примеру, оптимальным представляется угол 50° се­верной широты. Для декабря, когда интенсивность солнечного излучения явля­ется самой низкой в Центральной Европе, рис. 14.1 иллюстрирует выработку солнечного модуля как функцию выбранного угла ее установки как для стан­дартных (односторонних), так и для двусторонних модулей [15]. В данном слу­чае оптимальная ориентация для двусторонних модулей ближе к вертикальной.

Из рисунка также видно, что зимой двусторонние модули обеспечивают выработку примерно на 25% больше, чем стандартные односторонние модули. Это можно объяснить следующим образом: при наибольшей степени верти­кальной ориентации существенная доля отраженной радиации падает на тыль­ную сторону двустороннего модуля, в то время как снижение интенсивности прямой радиации, поступающей на лицевую сторону, не столь значительно по сравнению с оптимальным значением. Необходимо иметь в виду, что проекция плоскости модуля на плоскость, перпендикулярную падающей солнечной ра­диации, зависит от косинуса угла падения, т. е. S = S0 cos <р, где S0 — площадь панели, а ср — угол падения (см. рис. 14.4).

В обоих случаях различие между оптимальным и вертикальным положе­нием не является слишком большим. Вертикальное положение модулей имеет другое преимущество — снег и грязь не осаждаются на их вертикальных по­верхностях.

Ориентация двусторонних модулей влияет на их полную выработку в го­раздо меньшей степени, чем ориентация стандартных модулей. Это показано на рис. 14.2.

В некоторых случаях, когда ориентация модулей ограничена проектными возможностями, это обстоятельство может оказаться существенным. Например формы звуковых барьеров вокруг дорог и шоссе должны следовать за курсом дороги. Не все дороги построены таким образом, что южная ориентация моду-

лей представляется возможной. Для двусторонних модулей даже вертикальная ориентация на север не уменьшает значительно выработку, поскольку в этом случае тыльная сторона ориентирована на юг. Эффективность фотоэлектриче­ского преобразования солнечной энергии в этом случае ниже, но, как видно из рис. 14.2, различие составляет только 20 — 25 %. Поскольку число примеров ис­пользования фотоэлектрических установок с беспорядочно ориентированными модулями постоянно возрастает (например, доски объявлений, звуковые барье­ры вдоль дорог и т. д.), двусторонние модули представляются все более и более привлекательными. Удельный вес двусторонних модулей (против стандартных) в последнее время значительно увеличился.

Рис. 14.3 представляет вариант размещения фотоэлектрической системы среднего размера, непосредственно связанной с электрической сетью. Верхняя часть системы состоит из наклонных двусторонних фотоэлектрических моду­лей, центральная часть состоит из вертикальных двусторонних модулей и ниж­няя часть системы имеет наклоненные стандартные модули. На рис. 18.31 и 18.32 представлены мобильные фиксированные (неследящие) модули, исполь­зуемые в Антарктиде.

Проблемы, связанные с применением следящих платформ для солнечных энергетических систем, в последнее время активно и всесторонне широко изу­чались, потому что это может значительно увеличить эффективность систем с солнечными фотоэлектрическими модулями за счет увеличения выработки энергии и уменьшения вследствие этого их стоимости [16]. Как было показано в главе 4, максимальная интенсивность энергии Солнца, поступающая к пло­ской поверхности, расположенной перпендикулярно потоку солнечной радиа­
ции, составляет / = 1100Вт м-2. Предполагая, что высококачественные элемен­ты на основе кристаллического кремния имеют эффективность приблизительно 18-20 % , максимальную выработку для модуля с поверхностью S = 1 м можно ожидать равной Рмак1. = 200 Вт. Эта величина уменьшается при подаче потока солнечного излучения под углом. Если мы установим систему, отслеживаю­щую положение Солнца, с модулем, располагаемым таким образом, чтобы его поверхность всегда оставалась перпендикулярной к потоку солнечной радиа­ции, то объем выработанной энергии W будет выше, а его величина будет опре­деляться выражением

W = Pdt.

At

Теоретические вычисления выполнены следующим образом. Предполо­жим, что максимальная энергия солнечного излучения, поглощенная плоско­стью, перпендикулярной потоку солнечного излучения, составляет величи­ну/ = 1100 Вт м“2. Примем среднюю продолжительность светового дня (то есть случай, когда Солнце выше горизонта) / = 12 часов = 43 200 сек. Теперь сравним модуль с активной площадью S„, отслеживающий Солнце идеально, с неподвижным модулем того же размера, который перпендикулярен солнечному излучению только в полдень.

а) Для неподвижного модуля проекция его площади на плоскость, пер­пендикулярную потоку солнечного излучения, имеет значение

S = So cos (р,

(рис. 14.4). В течение дня угол падения изменяется в ин — j. Угловая скорость передвижения Солнца в небе

(о = 2л! Т = 7.27×1 (Г5 сч.

Дифференциал падающей энергии — d W = IS d t. Пренебрегая атмосфер­ными эффектами, энергию, поглощенную поверхностью модуля площадью So = 1 м2 в день, можно выразить так:

+21600

W = l S0 cosmtdt = IS0 -21600

= 3,03 x 10[2] [3] Вт ■ сек = 8,41 кВт ■ час.

S0

Рис. 14.4. Проекция солнечного модуля на плоскость,
перпендикулярную направлению потока солнечной радиации

Полдень

I#0

Утро вечер

Рис. 14.5. Схема движения Солнца по небосклону зимой и летом

Если пренебречь атмосферными эффектами, то увеличение поступающей солнечной энергии (после перемножения эффективности и произведенной энер­гии) составит 57 %.

Такое увеличение могло бы быть получено, например, на поверхности Луны. В земных условиях мы должны учитывать, что после восхода Солнца и до его заката солнечные лучи должны пройти через толстый слой атмосферы.

Следовательно, в этом случае интенсивность солнечной энергии, падаю­щей на поверхность, перпендикулярную направлению солнечной радиации, бу­дет намного ниже, чем в полдень. Кроме того, Солнце может быть выше гори­зонта более, чем 12 часов ежедневно, в более высоких географических широ­тах. Влияние диффузионной околосолнечной радиации и диффузионной изо­тропной радиации в таких случаях также должно быть учтено. Увеличенная произведенная энергия может составлять максимум 40% на поверхности Земли и максимум 30 % для условий Чешской республики — эти величины были про­верены экспериментально.

Вышеуказанные рассуждения легче представить, если проследить за дви­жением Солнца по небосклону. На рис. 14.5 представлена схема движения Солнца по небосклону в зимний и летний периоды. Из этой схемы нетрудно понять, какую роль играет правильный выбор угла установки солнечных модулей

в стационарных неследящих системах, а также изменение толщины атмосфер­ной массы в течение светового дня. Атмосферная масса при нахождении Солн­ца в зените строго перпендикулярно по отношению к воспринимающей по­верхности обозначается как АМ1. В космосе, где атмосфера отсутствует, атмо­сферная масса обозначается как АМО. Реально для обычных усредненных рас­четов величина атмосферной массы принимается равной AM 1,5.

Важно рассмотреть максимальный угол вращения системы. Мы уже от­метили, что после восхода и до заката Солнце светит через толстый, меняю­щийся во времени, слой атмосферы. Поэтому очевидно, что на поверхности Земли нет необходимости отслеживать полный диапазон углов ± 90 °.

Из приведенного на рис. 14.6 графика видно, что слежение за Солнцем по диапазону углов более чем і 60°, существенно не влияет на объем выработан­ной энергии [2, 14].

Технические средства, обеспечивающие перемещение платформы с рас­положенными на ней солнечными модулями, называют системами слежения. Некоторые конструкции таких систем будут рассмотрены в следующих главах.

Выпускаемые в настоящее время фотоэлектрические модули имеют отно­сительно длительный срок службы. Тем не менее, состояние дел не может в полной мере удовлетворить потребителя.

Основные причины старения фотоэлектрических модулей связаны с кор­розией контактной сетки на поверхности фотопреобразователей и увеличением оптических потерь в ламинирующих слоях за счет окрашивания и различного рода отслоений.

Особенно заметным этот эффект становится при попытке использовать выпускаемые модули с концентрированным солнечным излучением. Даже при незначительном повышении уровня концентрации процесс потемнения ламини­рующего материала значительно ускоряется, что неизбежно приводит к сущест­венному ухудшению характеристик модулей. В значительной степени этот факт объясняется тем обстоятельством, что именно химический состав стандартного термопластичного заполнителя на основе сополимера EVA обусловливает целый ряд недостатков, присущих всем известным модификациям пленок.

Применяемая сегодня технология ламинирования фотоэлектрических мо­дулей не лишена серьезных недостатков. К этим недостаткам можно отнести принципиальные ограничения по производительности процесса ламинирова­ния, выделение летучих веществ в процессе термо-вакуумного ламинирования, осложняющих условия работы вакуумного оборудования, а также значитель­ную энергоемкость процесса ламинирования (36 кВт ч/I ч работы стандартного ламинатора).

В [76] выполнен анализ состояния рынка фотоэлектрических модулей в мире, который показал, что в последнее время, в особенности в течение послед­них лет, ведутся активно поисковые работы по совершенствованию технологии производства фотоэлектрических модулей как в части замены EVA пленочными материалами на другой полимерной основе (полиуретаны, иономеры на основе сополимеров этилена и метакриловых кислот, сополимеры этиленового ряда, мо­дифицированные силанами и др.), так и в части разработки технологических про­цессов, исключающих стадию ламинирования.

Такая ситуация на рынке фотоэлектрических модулей стимулировала компании-производители предпринять шаги по созданию более совершенной технологии получения модулей с улучшенными характеристиками. Так, в [76] было показано, что фирма Sitec Solar предлагает взамен ламинирования исполь­зовать оборудование и технологию, близкие к процессу производства заливоч­ных триплексов, с применением жидкого УФ-отверждаемого двухкомпонент­ного полимерного состава на основе акриловых олигомеров [88]. Аналогичная технология была предложена в 2001 г. предприятием ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов» [89]. Совместные усилия нескольких фирм — Bystronic glass, Lenhardt Mashinenbau, Wurth Solar, Apollon Solar завершились созданием экспериментальных высокопроизводительных автоматизированных линий для производства тонкопленочных и кристаллических модулей без ис­пользования каких-либо полимерных заполнителей [90 — 92]. Базовой техно­логией в этом случае является технология изготовления вакуумных стеклопаке­тов с применением термопластичного спейсера (TPS) на основе полиизобути­лена. При изготовлении модулей из моно — или поликристаллических элементов TPS используется также в качестве клея для крепления элементов к тыльной подложке.

С точки зрения оптической прозрачности, широкого температурного диа­пазона эксплуатации и чистоты от ионогенных примесей наиболее привлека­тельными представляются крсмнийорганические полимеры (поли-силоксаны), на основе которых были созданы и применяются уже десятки лет клеящие и герметизирующие материалы для космических солнечных батарей.

Мировой лидер в области производства полисилоксанов — компания Dow Corning разработала экспериментальную технологическую установку для произ­водства модулей стандартной конструкции («стекло — пленка») с применением полисилоксанового заполнителя, отверждаемого при температуре 100°С [94]. Та­кая технология обеспечивает увеличение долговечности модулей, однако не дает существенного выигрыша по энергозатратам на производство и не позволяет производить двусторонние модули, пригодные для эксплуатации в установках с концентрированными потоками солнечного излучения.

Начиная с 90-х годов прошлого века начали появляться сведения о поло­жительном опыте эксплуатации микросхем и полупроводниковых приборов, герметизированных с применением так называемых полисилоксановых гелей.

Гели принято выделять в специальный класс ультрамягких капсулянтов. Они представляют собой редкосшитую структуру, образующуюся в процессе гидросилицирования ■ реакции взаимодействия низкомолекулярных полиси­локсанов, содержащих диметил-метилвинилсилоксановые звенья со сшиваю­щим агентом на основе смеси различных циклических и линейных гидридси — локсанов в присутствии платинового катализатора (платинохлористоводород­ная кислота) по схеме, приведенной на рис. 13.1.

Из рис. 13.1 видно, что вулканизация осуществляется по схеме «поли­мер-полимер» без выделения побочных продуктов реакции с образованием длинных поперечных мостиков, придающих вулканизату целый ряд уникаль­ных свойств.

Анализ имеющихся данных [118] позволил сформулировать следующие преимущества полисилоксановых гелей перед обычными вулканизатами низ­комолекулярных силоксановых каучуков.

1. Высокие диэлектрические характеристики, их сохранение при низких температурах.

2. Возможность регулирования частоты сшивки и, следовательно, вязко­упругих характеристик в широком диапазоне.

3. Высокая степень чистоты по содержанию ионных примесей (10"4—10-6 % примесей Na, К, Са, металлов переходных валентностей — Fe, Ni).

4. Отсутствие в геле внутренних механических напряжений.

5. Эффективное вибропоглощение.

6. Эффект «самозалечивания» дефектов, свойственный жидкостям, наря­ду с формоустойчивостью и размерной стабильностью, характерными для сшитых эластомеров.

7. Устойчивость к температурной, УФ — и озонной деградации.

8. Высокая адгезия к полупроводникам, стеклу и большинству других материалов за счет механизма «липкости» — физической адгезии без применения специальных подслоев.

9. Экологическая безопасность применения.

В результате работ, выполненных в ГНУ ВИЭСХ в сотрудничестве с фир­мой «Poulek Solar L. t.d., было показано, что существенное повышение долго­вечности модулей (в два раза), обеспечение их стабильной работы в установках с концентраторами солнечного излучения в сочетании со снижением производ­ственных энергозатрат можно обеспечить при использовании в качестве мате­риала-заполнителя двухкомпонентного полисилоксанового компаунда, отвер­ждаемого в присутствии платинового катализатора до состояния низкомодуль­ного геля. Здесь же разработана экспериментальная технология герметизации солнечных фотоэлектрических модулей.

В качестве основы для разработанного технологического процесса была принята технология изготовления вакуумного стеклопакета с термопластичным спейсером по периметру, отличающаяся тем, что предварительно вакуумирован — ная полость заполняется оптически прозрачной средой в виде двухкомпонентно­го жидкого полисилоксанового компаунда, структурируемого при комнатной температуре по механизму гидросилицирования в низкомодульный гель.

Для реализации этого процесса была разработана специальная установка автоматического смешивания и дозирования двухкомпонентного полисилокса — нового компаунда. Схема установки автоматического смешивания и ее внеш­ний вид представлены соответственно на рис. 13.2 и 13.3.

Вторая часть комплекта оборудования предназначена для предваритель­ного вакуумирования внутренней полости модуля и проведения заливки в ва — куумированную полость. Внешний вид этого комплекта оборудования изобра­жен на рис. 13.4. Расчетная годовая производительность (1 МВт) оборудования

была подтверждена при изготовлении опытных партий модулей различных кон­струкций. Сравнение созданного комплекта оборудования со стандартным обо­рудованием для ламинирования фотоэлектрических модулей с такой же произ­водительностью показала, что при стоимости нового комплекта оборудования, составляющей не более 15% от стоимости стандартного ламинатора, годовые энергозатраты снижаются более чем в 10 раз.

С применением нового комплекта оборудования были изготовлены солнеч­ные фотоэлектрические модули единичной мощностью от 60 Вт (1180×530 мм) до 150 Вт (1180×1040 мм и 1600×800 мм), которые прошли испытания в усло­виях концентрированного солнечного излучения на установках с концентрато­рами солнечной энергией и слежением за Солнцем, расположенными на терри­тории Чешского сельскохозяйственного университета (рис. 18.101 и 18.139).

Результаты испытаний выявили ряд преимуществ разработанного техно­логического процесса. Сравнительные характеристики нового процесса с из­вестным процессом EVA-ламинирования приведены в таблице 13.1.

На рис. 13.5 приводятся сравнительные данные по уровню снижения объ­ема вырабатываемой модулем энергии в течение всего срока его эксплуатации.

Из приведенных на рис. 13.5 данных видно, что модули, изготовленные по рассматриваемой технологии, сохраняют существенно более высокий уро­вень выработки энергии в течение периода, вдвое превышающего срок службы стандартного модуля.

Разработанная технология вызывает большой интерес у специалистов многих стран, используется в производственных процессах компанией Poulek

Solar Со. Ltd. На рис. 13.6 представлена группа специалистов КНР после озна­комления с научно-исследовательскими работами, проводимыми на опытном участке сборки солнечных модулей ВИЭСХ.