Технические науки/ 5. Энергетика

Мехтиев А.Д., Югай В.В., Эйрих В.И., Ким Ю.В., Алдошина О.В.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Оценка эффективности использования солнечных модулей для энергообеспечения систем телекоммуникации

Солнечные батареи обеспечивают большую автономность и независимость от линий электропередач. Солнечное электричество имеет много преимуществ - это чистый, тихий и надежный источник энергии, особенно в удаленных районах, где нет централизованного электроснабжения. Количество солнечной энергии, достигающей на поверхность Земли, изменяется из-за движения земли вокруг свой оси и Солнца. Эти изменения зависят от времени суток и времени года. Обычно в полдень на Землю попадает наибольшее количество солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится в зените, и длина пути прохождения лучей Солнца через атмосферу Земли сокращается. В следствии этого, меньшее количество солнечных лучей преломляется и отражается, а значит больше солнечной радиации достигает поверхности земли. Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от ряда факторов:

• Широты;

• Местного климата;

• Сезона года;

• Угла наклона поверхности по отношению к Солнцу.

Количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время - менее чем на 0,8 кВт*ч/м2 в день на Севере Европы и более чем на 4 кВт*ч /м2 в день в летнее время в этом же регионе. Различие уменьшается по мере приближения к экватору. Количество солнечной энергии зависит и от географического месторасположения объекта: чем ближе к экватору, тем оно больше. Например, среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную поверхность, составляет: в Центральной Европе, Средней Азии и Центральном регионе России - приблизительно 1000 кВт*ч/м2; в Средиземноморье - приблизительно 1500 кВт*ч /м2; в большинстве пустынных регионов Африки, Ближнего Востока и Австралии - приблизительно 2200 кВт·ч/м2. Таким образом, количество солнечной радиации существенно различается в зависимости от времени года и географического положения. Этот фактор играет важнейшую роль при расчете эффективности использования электростанций, в которых используются солнечные батареи.

На основании исследовании проведенных мировыми учеными и полученными ими данных, установлено распределение солнечной радиации на поверхности земли, где наглядно показано на рисунке 1 [1]

Рисунок 1 - Распределение солнечной радиации на поверхности земли (кВтч/м²/год)

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (то есть вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/ м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря — 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раз меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики. Существует несколько используемых способов эффективного получения электроэнергии путем преобразования солнечного излучения:

1) с помощью фотоэлементов;

2) гелиотермальная энергетика.

Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов(солнечные батареи).Фотоэлемент представляет собой полупроводниковый прибор, который преобразует энергию солнечного света (фотонов) в электрическую энергию. Принцип работы солнечных фотоэлементов в том, что, когда на солнечный элемент попадает солнечный свет, материал солнечного элемента поглощает часть фотонов. Каждый фотон имеет малое количество энергии. Кода фотон поглощается, он инициирует процесс освобождения электронов в солнечном элементе. Вследствие того, что обе стороны фотоэлектрического элемента имеют токоотводы, в цепи возникает ток, когда фотон поглощается. Солнечный элемент генерирует электричество, которое может быть использовано сразу или сохранено в аккумуляторной батарее. Солнечный фотоэлемент изготавливается на основе пластины, выполненной из полупроводникового материала. Основным материалом для получения солнечных элементов является кремний[1].

Существует такое понятие, как «Фотоэлементы первого поколения» т.е. фотоэлементы на основе кристаллического кремния. Наиболее распространенными из них являются фотоэлементы на основе монокристаллического кремния. Это самый эффективный и распространенный вид элемента. Их получают литьем кристаллов кремния высокой частоты. В процессе охлаждения кремний постепенно застывает в форме цилиндрической отливки монокристалла диаметром 13-20 см, а длина достигает 200 см. Получаемый слиток нарезается тонким слоем (250-300 мкм), выглядят как однотонная поверхность темно – синего или почти черного цвета. Такие элементы имеют более высокую эффективность, высокий уровень КПД до 19%, а также очень долгий срок службы 40 – 50 лет. Основным недостатком подобных фотоэлементов является цена. Кроме того влияют еще и погодные условия, при облачности или затмении КПД значительно уменьшается[1].

Нами поставлены следующие задачи научного и прикладного характера:

1. Выполнить исследования для установления оптимальных параметров работы ФЭК с целью достижения наивысших технических показателей и наибольшей экономической эффективности.

2. Разработать схемные решения по конфигурации ФЭК (отдельных элементов и устройства в целом).

3. Рекомендации по использованию ФЭК для электроснабжения удаленных устройств связи и телекоммуникаций.

В попытке решение этих проблем были созданы поликристаллические фотоэлементы. Здесь используется менее чистый и более дешевый кремний. Внешний это уже не однотонная поверхность, а узор из границ множество кристаллов. Такие элементы характеризуются более низким КПД порядка 11 % и меньшим сроком службы до 10 лет. Однако, они имеют меньшую стоимость и меньше зависят от затмения.

Список используемой литературы:

Кашкаров А. П. Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции ДМК Пресс 2010 г