Альтернативная энергия - интересные факты
Содержание:
Факторы, влияющие на эффективность использования солнечных панелей
Биогаз - эффективный источник энергии
Исследование ветровых полей
Необратимые потери солнечной энергии в фотоэлементах
Промышленные ветрогенераторы, проблемы в ходе эксплуатации
Коэффициенты фотоэлектрического преобразования для различных типов фотоэлементов
Малые ветрогенераторы для систем отопления
Энергетическая установка, в том числе и работающая на основе ветрогенератора, должна обеспечивать непрерывное, стабилное и качественное снабжение электрической энергией. Потребители хотят получить электроэнергию промышленного качества тогда, когда им необходимо, не зависимо от погодных условий и времени суток.
К малым ветрогенераторам относят устройства мощностью до 100 кВт. Такие установки могут работать автономно, без подключения к общей электрической сети. Для обеспечения бесперебойного, надежного и качественного энегрснабжения, малый ветрогненратор снабжают дополнительными устройствами, такими как:
• инвертор, для преобразования тока, получаемого от ветрогенератора, в ток промышленного качества 220 В, 50 Гц
• аккумуляторные батареи, используемые в качестве источника бесперебойного питания
• дизель-генератор, для обеспечения надежного электроснабжения независимо от погодных условий.
В совокупности, эти устройства более чем в 3 раза увеличивают стоимость малого ветрогенератора. Малые ветрогенераторы характеризуются неоптимальным соотношением стоимости и эффективности. Оказывается, что экономически выгодней использовать малые ветрогенераторы для производства тепловой энергии, отопления жилищ и приготовления горячей воды.
В самом деле, постоянный или переменный ток от малого ветрогенератора удобно преобразовать в тепло с помошью термоэлектрических нагревателей. Для работы термоэлектрических нагревателей нет необходимости в электрическом токе промышленного качества. Таким образом отпадает необходимость в использовании инвертора. Нестабильность поступления энергии от малых ветрогенераторов не критична для автономных систем теплоснабжения, поскольку температуру воздуха в помещениях и температуру горячей воды в бойлерах можно поддерживать в широких диапазонах. Таким образом наличие аккумулятров и дизель-генератора также необязательно. Кроме того, отказ от использования инверторов, аккумуляторных батарей и дизель-генератора значительно упрощает автоматику управления малым ветрогенератором, что также снижает его стоимость.
Факторы, влияющие на эффективность использования солнечных панелей
Современные солнечные фотоэлементы и панели из них, солнечные энергетические установки, солнечные электростанции удовлетворяют комплексу требований:
• высокая надёжность при сроке эксплуатации до 30 лет;
• доступность сырья и возможность организации массового производства;
• приемлемые сроки окупаемости инвестиций на создание солнечных электростанций;
• минимальные расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание гелиоэнергетических мощностей;
• высокая эффективность работы.
• На эффективность фотоэлементов и солнечных панелей из них влияют целый ряд факторов. В числе основных можно назвать следующие:
• погодные и климатические условия
• смена дня и ночи
• неравномерность освещения
• рост температуры
• загрязнение
• необратимые потери.
Мощность солнечных энергетических систем зависит от интенсивности солнечного излучения. Понятно, что если интенсивность солнечного излучения мала или отсутствует вовсе, то мощность солнечных панелей снижается. Для того, чтобы уменьшить влияиние этого недостатка, гелиосистемы снабжают аккумуляторами, которые, накопив энергию днем, в ночное время отдают свою энергию потребителю. Как правило, в ночное время суток потребление электроэнергии снижается и, если речь идет об автономных гелиосистемах обеспечения электроэнергией, запаса энергии вполне хватает для обеспечения потребностей в электроэнергии ночью.
Равномерная освещенность солнечной батареи обеспечивает высокую её эффективность. Если какой-то фотоэлемент, входящий в состав солнечной панели освещен менее интенсивно, чем соседний, то он становится паразитной нагрузкой и снижает общую энергоотдачу солнечных панелей. Для того, чтобы уменьшить влияние этого фактора, иногда удобно отключить затененный фотоэлемент. Для обеспечения максимальной эффективности солнечная панель должна быть ориентирована точно на солнце. Чтобы это достичь иногда используют поворотные системы с системой автоматического слежения за положениям Солнца.
Рост температуры солнечного элмента негативно сказывается на его способности генерировать электрический ток. Солнечные панели, особенно для больших гелиоэнергетических систем необходимо охлаждать. Пыль и влага, оседая на поверхности солнечных панелей также негативно сказываются на их эффективности. Поэтому необходимо регулярно проводить мероприятия по очистке поверхности солнечных батарей от пыли и грязи. Иногда поверхность солнечных панелей покрывают специальным составом, уменьшающим степень загрязнения поверхности солнечной батареи.
Солнечные панели подключаются к нагрузке с помощью специального контроллера управления фотоэлектрическими системами. Главная функция этого устройства - согласование внутренних сопротивлений .нагрузок. Применение этого устройства обеспечивает оптимальный режим работы солнечных панелей.
Ключ к повышению эффективности солнечных батарей лежит в уменьшении необратимых потерь солнечной энергии в процессе взаимодествия солнечного света и вещества, из которого изготовлены фотоэлементы. Уменьшение необратимых потерь в фотоэлементах приведет к увеличению их КПД. В среднем, КПД солнечных эксплуатируемых сейчас панелей не превышает 15-20%. В лабораториях ведутся работы по увеличению этого показателя. Увеличение КПД всего на один или два процента уже считаются хорошим результатотм. В средствах массовой информации можно найти информацию о том, что КПД отдельных фотоэлментов, измеренный в лабораторных условиях, приближается к 45%.
Биогаз - эффективный источник энергии
Биогаз является эффективным, возобновляемым источником энергии. Он производится в процессе биологического разложения органических отходов в бескислородной среде. Такими отходами могут быть отходы сельскохозяйственного и деревообрабатывающего производств, твердые бытовые отходы и стоки. Биогаз образуется при анаэробном брожении органики с помощью метаногенных бактерий. Он состоит из смеси газов, в основном из метана CH4 и углекислого газа CO2. В зависимости от вида сырья, используемого для производства биогаза, количество метана в нем может быть от 55 до 75 процентов.
Очищенный метан, полученный из биогаза, по своим теплотворным характеристикам и физическим свойствам аналогичен природному газу. Он может поставляться в газотранспортные системы, использоваться в качестве топлива для транспортных средств, работающих на газе.
Биогаз производят в биогазовых установках или биогазовых станциях, которые используются в системах переработки различных видов отходов и очистки стоков. Современные технологии делают безотходным и экологически чистым производство биогаза, а следовательно, электричества и тепла, получаемых при его сжигании.
Производство биогаза позволяет наиболее эффективно использовать земельные ресурсы для получения энергии по сравнению с другими видами производств биотоплива. Активное использование биогаза не увеличивает выбросы в атмосферу углекислого газа, поскольку при его сжигании выделится столько же углекислого газа, сколько было поглощено растениями. Подсчитано, что биогаз сможет обеспечить 40% мировых потребностей в энергии.
Исследование ветровых полей
Возедение промышленного верогенератора, в случае готовности инфраструктуры и наличия всего необходимого осуществляется сравнительно быстро, в срок до двух недель.
Гораздо дольше осуществляются предварительные работы по определению целесообразности устанвоки ветрогенератора на той или иной территории. Такие работы называются исследованием ветровых полей. Срок проведения таких исследований до двух лет. Исследования ветровых полей проводятся с целью точного определения ветрового потенциала местности. Его важно знать не только для того, чтобы понять, насколько эффективно будет работать ветрогенератор, но и для оценки инвестиционной привлекательности конкретного ветроэнергетического проекта.
Стандартные метеорологические сведения могут использоваться при определении ветрового потенциала конкретной местности, но, в целом, они не пригодны для его точного определения, поскольку метеоролические данные собираются для приземного слоя атвмосферы до 10 м и, как правило, в черте города. Ветрогенераторы устанавливаются на высотах порядка 50 м. На таких высотах скорость ветра заметно выше, а влияние на ветровые потоки наземных построек, деревьев значительно меньше.
Исследования ветровых полей, вместе с мероприятиями по оформлению разрешительной документации и работами по созданию необходимой документации значительно удлинняют срок реализации ветроэнергетических проектов.
Ветряные электростанции строят в местах с высокой средней скоростью ветра — от 4,5 м/с и выше. Анемометры устанавливают на высоте от 30 до 100 метров, и в течение одного или двух лет собирают информацию о скорости и направлении ветра в различное время года. Полученные сведения анализируются с помощью программного обеспечения, сроятся карты ветрового потенциала. На основани полученных результатов делается вывод о целесообразности реализации ветроэнергетических проектов и оценивается срок окупаемости инвестиций.
Во многих странах карты ветров для ветроэнергетической промышленности создаются при поддержке государственных структур. Например, Министерство развития совместно с Министерством природных ресурсов Канады реализовали проект по созданию Атласа ветров Канады и компьютерной модели Wind Energy Simulation Toolkit (WEST), которая позволяет планировать установку ветрогенераторов в любой местности Канады. ООН в рамках Программы развития развивающихся стран была инициировала создание карта ветров для 19 развивающихся стран.
Необратимые потери солнечной энергии в фотоэлементах
Повышение КПД солнечных панелей зависит от уменьшения необратимых потерь энергии солнечного света в процессе взаимодействия с веществом фотеэлектрического элемента.
Основные необратимые потери в фотоэлектрических преобразователях такие:
• отражение солнечного излучения от поверхности преобразователя;
• прохождение части излучения через фотоэлемент без поглощения в нём;
• рассеивание на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов;
• рекомбинация образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объёме вещества фотоэлемента;
• внутреннее сопротивление преобразователя.
• Для уменьшения необратимых потерь энергии в фотоэлементах применяются различные подходы:
• использование полупроводников с оптимальной для спектра солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
• легирование полупроводниковой структуры;
• переход от гомогенных к гетерогенным, слоистым и пленочным полупроводниковым структурам;
• оптимизация конструктивных параметров фотоэлементов: глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки;
• применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту фотоэлемента от факторов внешней среды;
• разработка фотоэлементов, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра;
• создание многослойных фотоэлементов из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих в каждом отдельном каскаде преобразовывать отдельный участок спектра солнечного излучения.
Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов ближайшего будущего считаются различные модификации кремния, арсенид галлия GaAs, а также структуры на основе соединений Cu(In,Ga)Se2.
Некоторые перспективные для фотоэлементов материалы трудно получить в необходимых для массового производства количествах. Особенно экзотические методы увеличения КПД солнечных фотоэлментов, например, с помощью создание слоистых или пленочных структур могут оказаться сложными и дорогими при массовом производстве.
Промышленные ветрогенераторы, проблемы в ходе эксплуатаци
Для строительства ветроэлектростанций на суше выбирают удаленные возвышенные районы. Часто промышленные ветрогенераторы устанавливаются в горах. Морские ветроэлектростанции сооружают в прибрежных районах морей и океанов или на участках морского шельфа с небольшой глубиной. Успешно реализованы проекты сооружения плавающих ветроэлектростанций.
В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают следующие проблемы:
• неправильное устройства фундамента;
• обледенение лопастей;
• обледенение метеорологического оборудования;
• удары молний;
• отключение в связи с резким порывами ветра, шквалами;
• пожары из-за конструктивных особенностей ветрогенератора;
• нестабильность работы ветрогенератора из-за непостоянства напряжения в системах передачи энергии;
• инфразвуковой шум, производимый вращающимися лопастями ротора;
• опасность для перелетных птиц.
Фундамент ветрогенерирующей установки обеспечивает устойчивость ветрогенератора при юбых погодных условиях и при любых скоростях ветровых потоков. Ошибки в расчете фундамента, его некачественная конструкция, а также ошибки в проектировании дренирующей системы может привести к опрокидыванию ветроустановки из-за сильного порыва ветра, в случае урагана или шторма.
Большое количество ветроэлектростанций установлены в арктических районах или районах с холодным климатом. Такие ветрогенераторы находятся под угрозой обледениния лопастей и частей генератора. В случае обледенения лопастей, значительно увеличивается масса ротора ветрогенератора, изменяется его аэродинамический профиль, а это на порядок снижает эффективность работы ветрогенерирующей установки. Для таких ветрогенераторов необходимо осуществлять антиобледенительные мероприятия. Лопасти таких ветрогенераторов должны быть изготовлены из морозостойких материалов. Жидкости, используемые в ветрогенераторе не должны замерзать.
Обледенение метеорологического оборудования ветрогенератора исказит показания измерений скоростей и направления ветра, что ухудшит управляемость ветрогенератора, снизит его эффективность.
Для ветрогенераторов, как и для других высотных сооружжений актуальны вопросы молниезащиты. Попдание молний может вызвать пожар повреждение электронной автоматики ветроустановки, систем управления ветрогенератором. На всех современных промышленных ветрогенераторах устанавливаются системы молниезащиты.
В случае резких порывов ветра ветрогенераторы могут отключится, лопасти ротора при этом поворачиваются во флюгерное положение. После стабилизации воздушных потоков необходимо некотоое время на включение ветрогенератора и вывод его на рабочий режим. Это негативно сказывается на эффективности ветроэлектростанции в целом. Современные промышленные ветрогенераторы осуществяют этот процесс в автоматическом режиме, либо по командам дистанционного упрвления.
Пожары на современных ветроустановках редки. Они могут возникнуть по причине трения вращающихся частей, утечки смазочных или гидравлических жидкостей, обрыва электрических кабелей, неправильной работы электрооборудования. Поскольку ветроэлектростанции, как правило, находятся в отдаленных местах, а сами ветрогенераторы размещаются на большой высоте, пожары ветроэнергетических установок тушить очень тяжело. Все современные промышленные ветрогенераторы оборудуются системами пожаротушения. В большинстве промышленных ветрогенераторах установлены электрические генраторы асинхронного типа, их работа зависит от постоянства напряжения в линиях электропередач..
Вращающиеся лопасти роторо ветрогенератора могу производить инфразвуковой шум. Это шум может распространятся на многие десятки километров и является вредным для здровья людей. Улучшенный аэродинамический профиль лопастей ветрогенератора позволяет решить эту проблему почти полностью.
Вращающиеся лопасти ротора ветрогенератора представляют опасность для перелетных птиц. Во многих странах работа ветроустановок прекращается в период их миграции.
Коэффициенты фотоэлектрического преобразования для различных типов фотоэлементов
Максимальные достигнутые коэффициент фотоэлектрического преобразования для различных типов фотоэлементов. Измерения полученны в лабораторных условиях.
Фотоэлементы на основе кремния
• кристаллический, до 24,7%
• поликристаллический, до 20,3%
• тонкопленочный, до 16,6%
• аморфный, до 9,5%
• нанокристаллический, до 10,1%
Фотоэлементы на основе арсенида галлия GaAs и фосфида индия InP
• GaAs кристаллический, до 25,1%
• GaAs тонкопленочный, до 24,5%
• GaAs поликристаллический, до 18,2%
• InP кристаллический, до 21,9%
• Фотоэлементы изготовленные по CIGS технологии
• Cu(In,Ga)Se2, до 19,9%
• CdTe, до 16,5%
• Фотоэлементы, изготовленные по принципу слоистых структур
• GaInP - GaAs - Ge, до 32,0%
• GaInP - GaAs, до 30,3%
• GaAs - CuInSe2, до 25,8%
• аморфный Si - монокристаллический Si, до 11,7%
• Фотоэлементы на основе органических материалов
• органические красители, до 10,4%
• полимеры, до 5,15%
Комментарии
Отправить комментарий