Дипломна работа - слънчева енергия

Съдържание:

Увод

Общи сведения1.За стоежа на Слънцето1.За слънчевата радиация2.Начини на използване на слънчевата енергия3.

Използване на слънчевата енергия за затопляне на вода2.Общи сведения1.Елементи на слънчевата система2.

Плоски слънчеви колектори1.Акумулатор2.Топлообменник3.

Видове системи за загряване на вода3.Принципна схема на директна система с естествена циркулация1.Принципна схема на директна система с принудителна циркулация2.Принципна схема на индиректна система с принудителна циркулация3.

Използване на слънчевата енергия за получаване на електрическа енергия

1.Фотоелектрични преобразуватели

Общи сведения1.Фотоволтаичен ефект2.Фотоволтаик3.Параметри на фотоелементите4.Загуби на фотоелементите5.

2.Елементи изграждащи една фороволтаична система

3.

Слънчеви клетки1.Слънчеви батерии2.Акумулаторни батерии3.Останалите елементи на фотоволтаичната система4.Видове фотоволтаични системи5.Приложение на фотоволтаичните системи6.

Разработване на цялостна слънчева система за топла вода и за електрическаенергия

4.

Условия за изработване на слънчева система топла вода и за електрическаенергия в България

1.

Избор на местоположението на еднофамилната къща2.Проектиране на инсталацията за топла вода3.Проектиране на инсталацията за получаване на електрическа енергия4.

Diplom http://vanig.hit.bg/diploma/diploma.html

1 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Изводи5.Приложение6.Използвана литература7.

УводОт дълги години използването на слънчевата енергия е въпрос с голямо значение.Стандартните енерго-ресурси като нефт, природен газ и въглища постепенно сеизчерпват, а все по-рядко се разработват нови находища тъй като те или са много беднии тяхното добиване ще се окаже много скъпо, или са прекалено дълбоки, което същооскъпява техния добив. Другият важен момент е твърде наболелия въпрос за опазванетона околната среда от технологичното замърсяване при използването на традиционнитеначини за добив на енергия. Получаването на електрическа енергия от атомнитеелектроцентрали (АЕЦ) съвсем не е най-добрата алтернатива на топло електрическитецентрали(ТЕЦ), тъй като има опасност от ядрено замърсяване, а и живота на самитеАЕЦ е около 20 - 30 години, след което те трябва да бъдат „погребани" вскъпоструващи съоръжения. Водно електрическите централи (ВЕЦ) от своя страна са смного ограничена употреба поради специфичните условия, които изискват искъпостуващата техника. Плюс това за всички тези източници на енергия са необходимимного средства за поддръжката им. Ето защо в последните 20 – 30 години учените отцял свят са насочили своите усилия към разработването и реализирането на технологииза добив на енергия от така наречените „възобновяеми източници". Появиха серазработки за приливно-отливни електрически централи, електрически централиизползващи енергията на морските вълни, геотермални източници на енергия, вятърниелектроцентрали, електроцентрали работещи с т. нар. „биогаз" и др. Нонай-развиващата се напоследък насока в работата на научните колективи е използванетона слънчевата енергия. По-голяма част от усилията са насочени към развитието напреобразувателите на слънчевата енергия в електрическа наречени photovoltaic, нонемалко учени работят по повишаването на кпд на водните колектори.

1.Общи сведения

Слънцето е най-близката до нас звезда от спектрален клас G2 V. Намира се средно на149.6х106 km от Земята [5]. За древните то е било източник на живот, нарича ли са го смного имена - египтяните Атон, гърците Хелиос, римляните Сол. Слънцето от своястрана представлява неизчерпаем източник на енергия за нашата цивилизация, който несе използва пълноценно. Всяка секунда до атмосферата на земята достигат около 1,35kW/m2 слънчева енергия (тази величина се нарича слънчева константа). Това прави


2 of 70 15.9.2010 г. 14:02

около 5000 киловат-часа на всеки m2 земна повърхност на година. Получената от земятаслънчева енергия само за една седмица може да осигури толкова топлина и светлина,колкото всички запаси от нефт, газ и въглища на нашата планета.

За строежа на Слънцето

На фиг.1 е даден строежа на Слънцето.

Слънцето представлява газово кълбо, което няма рязко очертани граници и плътносттаму плавно се увеличава с дълбочината. То има маса 1 989 100х1024 kg. За сравнениеЗамята има маса 5,9736х1024 kg. Съотношението Слънце/Земя е 332 950. Обема наСлънцето е 1 412х1015 km2., а радиуса му е 696 000 km. Пак за сравнвние отношениетов обема Слънце/Земя е 1 304 000[5].

Полярните области на Слънцето се въртят по бавно от екваториалните му (разликата вскоростите е около 20%). Ядрото на Слънцето се простира на разстояние 0,3R. В негосе извършват реакции на термоядрен синтез и се генерира неговата енергия,температурата достига 15,71x106 K, при налягане 2,477х1011bar и плътност 1,622х105

kg/m3. В недрата на Слънцето всяка секунда протичат 1038 протон-протонни реакции сеотделят около 3,846x1026 J енергия. Това е 10 000 пъти повече от енергията, която епроизвело човечеството през цялата си история. Извън ядрото енергията се пренасячрез лъчение. Зоната в която става това наричаме зона на лъчисто пренасяне, която сенамира в област от 0,3R до 0,7R от центъра. От 0,7R до повърхността енергията сепренася от самото вещество. Там горещия газ се издига на горе със скорост няколкоkm/s, достига до повърх-ността и се охлажда като излъчва светлинната си енергията впрост-ранството. Охладеният вече газ става по плътен и потъва на долу където

Фиг.1

отново се нагрява. Това движение на слънчевото вещество представлява конвекция и затова тази зона се натича - конвективна зона.

Наблюдаемата повърхност на слънцето се намира непосредствено след конвективнатазона и се нарича Фотосфера. Тя има дебелина едва 300km и е хиляди пъти по разредена


3 of 70 15.9.2010 г. 14:02

от въздуха около нас. Тя се състои от гранули със среден размер около 1000 km, коитонепрекъснато ”кипят” - появяват се и изчезват на всеки 5 - 10 min. Слънчевите петна сарязко очертани и изглеждат черни на фона на фотосферата. В действителносттемпературата им е около 4000 – 4500 К и те имат само 10 пъти по-малка яркост оттази на фотосферата.

Слънчевите петна са области от фотосферата, в които магнитното поле е много силно.Това поле влияе върху конвективното поле на газа като понижава температурата му вследствие на което се излъчва светлинната му енергия.

За слънчевата радиация1.

Тази енергия се излъчва главно като електромагнитна радиация в областта отултравиолетовата до инфрачервената област и радио-спектралните области (0.2 до 3nm). Интензитетът на слънчевата радиация в космоса, се изменя от разстояниеЗемя-Слънце. Атмосферата намалява интензитета на слънчевата светлина, главнопоради поглъщането от водните пари в инфрачервената област на спектъра, озоновотопоглъщане в ултравиолетовата област и разсейването от частиците във въздуха.Степента на влияние на атмосферата върху слънчевата светлина се дефинира катовъздушна маса. Тя е обратното на косинуса на земното разстояние, т.е. на ъгъла междуположението на Слънцето и зенита. Въздушната маса измерва разс-тоянието, изминатоот свет-линните лъчи в атмосферата, относно минималното разс-тояние - Слънцето е взенита. За удобство, стойността на това минимални разстояние се закръглява на 1000Wh/m2 и се нарича излъчване на едно Слънце.

Фиг.2

От тук нататак в дипломната работа ще се използва стойността на едното слънце, аименно 1000 kWh/m2 Слънчевата радиация попадаща върху дадена повърхност има двекомпоненти. Едната е директната радиация, падаща върху повърхността без изменениена посоката. Другата е дифузната радиация, която представлява сумата от разсеяната ватмосферата и отразена от почвата и околните предмети радиация, падаща върху даденаповърхност. Наличието на облаци води до отслабване на директната и увеличаване наразсеяната радиация.

Основните топлотехнически характеристики на слънцето, като енергиен източник заземята, са [2]:

ниска плътност на топлинния поток в земното пространство;


4 of 70 15.9.2010 г. 14:02

радиационен източник с неравномерна спектрална плътност – явно изразенмаксимум в областта на дължината на вълната под 2,5mm;нестационарен интензитет, чиято високочестотна и нискочестотна съставящаса съпроводени с шум, стохастически зависими от метеорологичните иекологични условия на местността;различни интегрални времеви стойности на попадналата върху единица площенергия.

Особеностите на слънцето, като енергиен източник, налагат използването наспецифични технически решения и средства за оползотворяване на слънчевата енергия.

Начини на използване на слънчевата енергия1.

Тази енергия може да бъде използвана по няколко начина. Първият по-разпространенначин е да произвежда топлина в слънчеви колектори, която се използва за затоплянетона вода и въздух. Също така получената топлина може да се преобразува велектричество (Слънчево топлинни електрически централи). Вторият начин едиректното превръщане на слънчевата светлина в електричество. Тази технология енаречена фотоволтаична. Целта на тази дипломна работа е да опише възможността запреобразуване на слънчевата енергия както чрез слънчеви колектори, така и сфотоволтаични клетки.

Използване на слънчевата енергия за получаване на топлина2.

2.1.Общи сведения

Слънчевите инсталации за получаване на топлина (наричани също слънчеви колекториили активни слънчеви системи) преобразуват слънчевото греене в топлинна енергия,която може директно да се използва за редица нужди – например за битово горещоводоснабдяване или за подаване на нискотемпературна топлина за затопляне на плувнибасейни, за затопляне на въздуха в сгради и помещения.

Слънчевите топлинни инсталации са добре разработен възобновяем енергиен източники едни от икономически най-ефективните системи за възобновяема енергия, които могатда бъдат инсталирани в жилищни сгради. Те са широко използвани в много страни посвета.

По предназначение в бита топлинната енергия може да се използва както следва:

- за загряване на топла вода;

- за отопление;

- за процеси, при които лъчистата енергия най-напред се преобразува втоплинна и след това в електрическа посредством термодинамиченпроцес.

По начина на преобразуване на слънчевата енергия в топлинна системите се разделят надва вида [2]:


5 of 70 15.9.2010 г. 14:02

- пасивни слънчеви системи;

- активни слънчеви системи.

Приемането на слънчева радиация от специални колектори монтирани открито исвързани чрез тръбни връзки с топлинен консуматор, между които циркулираенергоносител е характерна особеност на активните системи.

При пасивните системи елементите са интегрирани със сградата, в която ще се използваслънчевата енергия.

В тази точка ще разгледам предимно използването на слънчевата енергия зазатоплянето на вода. Трябва да се каже, че принципа за затоплянето на въздуха еподобен на този за затоплянето на вода.

Съществува и така нареченото пасивно използване на слънчевата енергия за затоплянена вода. Тя се използва предимно през лятото. Изразява се в слагане на пълни с водаварели на слънце, които се стоплят. Но тя не е тема на сегашната дипломна работа.

2.2. Елементи на слънчевата система за получаване на топлина

Компановката на системите зависи от климата на района и от предназначението им. Затериторията на Република България елементите на слънчевата система са следните:слънчев колектор (един или няколко), бойлер за топла вода (акумулатор),топлообменник, допълнителен източник на топлина, регулиращи устройства.

Изборът на елементите на системата зависи основно от топлинния товар, койтосистемата трябва да обезпечава. Възможно е създаването на системи, които напълнообезпечават топлинния товар. Тогава не е необходим допълнителен източник натоплина. От икономически съображения тази система ще бъде неизгодна защото щеработи ефективно само през студените месеци. Тя става още по-неизгодна ако сеизползва и за отопление на сгради.

Разбира се, има и доста по-елементарни и съответно по-неефективни инсталации, прикоито бойлерът се намира над слънчевия панел и циркулацията на водата сеосъществява по термосифонен път. При тях липсва циркулационната помпа иуправляващата електроника, но могат да се използват само в географски ширини,където няма опасност от замръзване на водата в инсталацията, или ако се използват наподобни места те трябва да се конструират с мисълта, че ще бъдат използвани сезонно.

2.2.1. Плоски слънчеви колектори

В слънчевата система преобразуването на слънчевата енергия в топлина се извършвапосредством слънчевия колектор. Той се явява основен елемент в системата.Устройството на слънчевия колектор е дадено на Фиг. 3, а на


6 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг. 3

Фиг. 4 е показан външния вид на слънчев колектор който в случая е тип ECOSTAR/ЕUROSTAR. Конструктивно той представлява плоска кутия, дъното и стените, на коятоса топло изолирани, а горната плоскост е изградена от един или няколко слоя стъкло.Основната част на колектора се явява поглъщащата пластина (топлпобменник), коятопоема слънчевата радиация, преобразува я в топлина и я предава на работния флуид. Попринцип тя представлява еднопанелен плосък радиатор, върху който се нанася чернопокритие, най-често

Фиг. 4

боядисан с черна боя – селективно покритие с цел да се повиши ефективността напоглъщане на слънчевата радиация. Обикновенно абсорберите на слънчевите колекторибиват метални или пластмасови. Най-често използваните метали са стомана, алуминий имед, като широко разпространение са получили първите два. От пластмасовите, катоматериал за абсорбери, най-голямо приложение в практиката са получили полиетилена,полипропилена и поливинилхлорида. Засега обаче върху тях не могат да се нанасятселективни покрития, които повишават ефективността на колекторите с 20%. Споредсвоето предназначение, абсорберната повърхност трябва да притежава високапоглъщателна способност. За тази цел, обикновено върху абсорбера се нанасятпокрития с поглъщателна способност 90 – 95%. Както вече писах, голямо приложение


7 of 70 15.9.2010 г. 14:02

са намерили черните матови бои, поради ниската им себестойност технологичност принанасяне. Основните им недостатъци са: високата им излъчвателна способност,приблизително равна на поглъщателната, т.е. излъчва дълговълновата топлиннарадиация и на второ място бързото остаряване на покритието. Разработени са т.нар.селективни покрития, които се характеризират с висока поглъщателна способност накъсовълновата радиация – 5-25%. Засега те намират ограничено приложение порадисвоята висока себестойност.

Има разработени параболични рефлектори, които фокусират слънчевата светлина отпо-голямо пространство в малкия по площ абсорбер. Но това е все още скъпо заслънчевите колектори. Прави се само в райони където слънчевата радиация е многониска, като например в планините. В Алпите има хижа, която затопля въздуха в сградатас въздушен колектор, който има такива рефлектори. Там това е наложително. Засегаобаче основното приложение на рефлекторите е при фотоволтаичните системи.

Прозрачното покритие на слънчевите колектори отгоре служи за намаляне натоплинните загубите от поглъщащата пластина към околната среда. То, в зависимост отсвоето предназначение трябва да притежават следните качества: висока пропусвкателнаспособност по отношение на късовълновата радиация и ниска пропусквателнаспособност по отношение на дълговълновата радиация. Затова най-често се използвастъклото. Неговата пропусквателна способност, в зависимост от дебелината исъдържанието на тежки метали в него, е в диапазона 80-90%. Освен това притежаватермична устойчивост на атмосферни въздействия и сравнително дълъг живот. Катонедостатъци може да се изтъкнат:

крехкост;високо специфично тегло;висока себестойност.

Стъклото отгоре служи за намаляване на топлинните загубите от поглъщащата пластинакъм околната среда. Тъй като загубите са най-често конвективни, въпреки че има ирадиационни, е най-добре стъклото да бъде в два пласта, и още по-добре ако е изтегленвъздуха между тях. При това положение колектора ще бъде изолиран и от външнитетемпературни условия.

Често в практиката се използват прозрачни покрития от следните видове –полиметилметакрилат, поливинилхлорид, полипропилен, полиетилен и др. В повечетослучаи те се отличават с висока пропускателна способност – до 95%, тъй като сеизползват под формата на тънко фолио – 0,05 –0,3 мм. В сравнение със стъклото се сапо-леки и по-евтини. Но и пластмасовите прозрачни покрития си имат своитенедостатъци като: висока пропускливост по отношение на дълговълновата топлиннарадиация – до 86%, ефекта “стареене” под въздействие на ултравиолетовата радиация.Точно този ефект намаля чувствително употребата на този вид покрития. Те санеприложими за колектори, работещи при високи температури. При това “стареене”силно се намалява пропускателната способност на материала, с което се намалячувствително ефективността на колектора. В следствие на това намаляне напропускливостта, животът на пластмасовите прозрачни покрития е кратък – около 2години при целогодишна използваемост и около 3-4 години при сезонна употреба, при


8 of 70 15.9.2010 г. 14:02

условие че през месеците, през които не се използва колектора се зазимява.

Като предимства на слънчевите колектори с метален абсорбер и стъклено прозрачнопокритие могат да се посочат:

възможност за получаване на високи температури на работния флуид прималка колекторна повърхност;сравнително дълъг живот;стабилност на монтажа.

Като основни недостатци се открояват:

голямо собствено тегло;сравнително висока себестойност;опасност от корозия;опасност от замръзване на топлоносителя в колектора, ако не е антифриз;необходимост да се отчита разширението на течността при нейнотонагряване, което води до опасност от протичане на съоражението.

Както вече писах, прозрачното покритие на слънчевите колектори отгоре служи занамаляване на топлинните загубите от поглъщащата пластина към околната среда.Също така изолацията отдолу и от страни служи, за да няма загуби в тези посоки. Катоматериали за топлинна изолация на колекторите най-често се използват стъклена ватаили пенополуретан, притежаващ необходимата термоустойчи-вост. Поради но-нискатацена и по-лесната използваемост по-често в практиката се използва стъклената вата.

Има също така по-нов вид колектори в зависимост от изолацията. Това са вакуум -тръбните колектори. На Фиг.5 е даден такъв колектор.Те са по-различни отразпространените плоски. Основните им предимства са:

употреба в екстремални климати (вакуумът е най-добрият изолатор отоколната температура), дори при минусови температури;наличието на топлинни тръби, които способстват за близо 100 пътипо-ефективен пренос на абсорбираната слънчева енергия;селективният галванично нанесен слой отNi-Cr позволява ефективна работа на колектора дори в облачни дни;и не на последно място - необходимата площ за затопляне на единица воденобем е два пъти по малка.


9 of 70 15.9.2010 г. 14:02

МесецЪгъл наслънцето

Оптималенъгъл a

Насочен

на

Януари 27 63 юг

Февруари 36 54 юг

Март 47 43 юг

Фиг. 5

За конструктивна устойчивост и лесен монтаж, колекторите се монтират в кутия, коятопредпазва абсорбера и изолацията, особено ако е от стъклена вата, от преки атмосфернивъздействия, механични наранявания, овлажняване и др. Така изолираната кутияобикновено се изгражда от здрав, желателно е некорозионен материал (обикновенокутията е метална, пластмасова или дървена) към който здраво са прикрепени стъклата(ако са повече от едно).

Плоските слънчеви колектори се монтират хоризонтално или южно ориентирано, соптимален ъгъл на наклона a спрямо хоризонта. Този ъгъл a се определя в зависимост отместоположението на системата, в която са включени колекторите и времевия период нанейната използваемост. Оптималния ъгъл за неподвижно закрепен колектор е равен нагеографската ширина. На Фиг.6 е дадено примерното разположение на колекторамонтиран на фундамент или на покрив.

а) б)

Фиг. 6

Таб.1


10 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Април 59 31 юг

Май 67 23 юг

Юни 70 20 юг

Юли 67 23 юг

Август 59 31 юг

Септември 47 43 юг

Октомври 35 55 юг

Ноември 27 63 юг

Декември 24 66 юг

Фиг.7 Фиг.8

На таблица 1 е даден оптималният ъгъл на слънчевия колектор при условие, че евъзможно да се променя всеки месец ъгъла на наклона му. Както вече писах приневъзможност за промяна на наклона трябва да се взима средната стойност, която еравна на ъгъла на географската ширина. Тези данни могат да се вземат от Internet. [6]

Важно условие за безпроблемното функциониране на слънчевите системи за затоплянена вода е правилното закрепване и стабилността на слънчевия колектор. На Фиг.7 едадено как е най - добре да се осигури устойчива връзка с подпорите или фундамента,на който ще се монтира колектора. А на Фиг.8 е дадено как е най-добре да се монтира,за да се намали опасността от разрушаване при неподходящи атмосферни условия катосилен вятър или буря. Това по-нататък се отнася и за закрепването и нафотоволваичните панели.

2.2.2. Акумулатор

Нестационарния характер на слънчевото облъчване, както и променливата консумация


11 of 70 15.9.2010 г. 14:02

на енергия, най-често не съвпадаща по време с режимите на постъпване на слънчеватаенергия, определят необходимостта от използване на топлоакумулиращи съоръжения –акумулатори. Съществува голямо разнообразие на методи за акумулиране – загряване иповишаване на температурата на определен обем материал (акумулиране чрез топене); стемпературно разслояване; с физични и химични превръщания.

Изборът на работно тяло в акумулиращата система зависи от характера натехнологичния процес. Независимо от разнообразието на акумулаторите основните имхарактеристики и параметри са:

специфичен топлинен капацитет на акумулиращия материал;работен температурен интервал между входа и изхода на акумулатора;степен на температурно разслояване;специфичен температурен обем или маса на акумулатора (за единицаколекторна площ).

От параметрите на акумулатора особено важни са тези, които определят термичнатаефективност на системата. Всяка загуба на температура се отразява отрицателно нак.п.д. важна задача при избора на акумулаторите е да се сведе до възможния минимумтемпературните загуби.

Най-често използвания акумулатор при системата за отопление на вода е бойлер засъхранение на загрятата течност. При избора на бойлер за едно домакинство се следитой да е с вместимост равна на 100 литра на живущ, тоест за едно четиричленносемейство бойлера трябва да е с вместимост 400 литра. Освен това е от голямо значениеизолацията на бойлера. Важно е тя да бъде максимално добра, за да се намалят домаксимум загубите. Ако бойлера е изнесен извън сградата тогава освен добра изолация,се налага той да има покритие от твърд материал, които да предпази изолацията отатмосферните въздействия и от животните, предимно от птиците, които използватизолацията за своите гнезда. Това покритие се прави от цимент, метал или пластмаса,като винаги след това се покрива със слънцезащитно покритие – асфалт или бяла боя.

В повечето случаи бойлера има 2 входа и 2 изхода. Единия вход е за студената вода отводопровода, която постъпва в акумулатора с температура около 10 – 150 С. В другиявход постъпва загрятата от колектора или от топлообменника течност, която достига добойлера с 45 – 500 С. Изходите са съответно към колектора и към водопровода за топлавода. Почти винаги на входовете и на изходите има дросел, който ограничававръщането на водата обратно.

Много често, за да не се прави преоразмеряване на слънчевия колектор през летнитемесеци, с цел да се задоволи нуждата от топла вода през зимата, се слага допълнителенизточник на енергия. Този отоплител най-често използва традиционна енергия –електрическа. Обикновено се изпълнява като електрически бойлер с обем V и мощностна нагревателите Р. Също така може да се постави нагревател в самия бойлер, който дадозагрява водата в него при необходимост. Има също изпълнение на допълнителенизточник като нагревател, който се поставя след бойлера, който само дозагряванеобходимата вода, а не цялото количество.

Топлотехническото оразмеряване на допълнителния източник на енергия включва:


12 of 70 15.9.2010 г. 14:02

определяне на минималния акумулиращ обемV на електрическия бойлер при зададени температура на акумулиране t0 имощност на нагревателите Р;определяне на мощността на нагревателите Р при зададени обемV и температура t0.

Повече информация за изчисляване на допълнителния източник на енергия може да сенамери в /2/

2.2.3. Топлообменник

При индиректните системи за загряване на вода има разделение между колекторния иакумулиращия кръг. То се постига с топлообменен апарат от типа течност-течност, катов колекторния кръг се използва незамръзваща течност (най-често антифриз). На Фиг.9 епоказан топлообменник, а на Фиг.10 са показани най-разпространените конструкции натоплообменни апарати за слънчеви инсталации. В точка 2.3.3. е показан примерния видна топлообменника.

Фиг. 9

Фиг.10

Топлообменникът внася допълнително термично съпротивление по пътя на отвежданена топлинната енергия и влияе върху термичния к.п.д. на системата. Освен термичносъпротивление топло-обменникът внася и физическо, което налага наличието на помпа.Топлообменният апарат също така трябва да бъде добре изолиран, за да се избегнатколкото е възможно загубите на топлина в него. Повече информация затоплообменниците има в /2/

2.3. Видове на системи за загряване на вода


13 of 70 15.9.2010 г. 14:02

На Фиг.11 е дадена система на слънчева инсталация. На фигурата са дадени ивъзможностите и начина на използване на системата.

Фиг.11

Системите за загряване на вода се класифицират по различни принципи.

Според броя на топлоносителите в системата те се разделят на:

директни – при тях липсва топлообмен-ник и работния флуид е водата, коятоидва от водопровода и след загряване ще достигне до потребителя. При тяхзагретият флуид постъпва веднага или с някакво закъснение в мрежата наконсуматора;индиректни – тук вече се използва топлообменник. При тези системи серазграничават два кръга на топлоносителя – в колекторите и в консуматора.Най-често в първия кръг топлоносителя е антифриз който чрезтоплообменния апарат отдава своята топлина, натрупана в колектора, надругия топлоносител, който е в повечето случаи вода. При тази системазадължително има циркулационни помпи, което означава че не е възможнаиндиректна система с естествена циркулация на топлоносителя. Трябва да сеотчете и наличието на регулатор. Също така ефективността натоплообменния апарат е свързана с работоспособността на системата;

Според начина на циркулация на флуида през колекторите системите се разделят на:

с естествена циркулация – при тях флуида се движи в следствие на различнатаму плътност в системата, предизвикана от различните температури, до коитосе нагрява. При тази системи акумулатора (бойлера) се намира по-високо отсамия колектор. Системата е задължително от директен тип. Следователно евъзможна най-простата система за затопляне на вода;с принудителна циркулация – флуида се движи в следствие на работата напомпи. Те по принцип са малки с мощност 40 – 80W.

2.3.1 Принципна схема на директна система с


14 of 70 15.9.2010 г. 14:02

естествена циркулация

Фиг. 12

Най-простия и съответно най-малко ефективен метод за преобразуване на слънчеватаенергия в топла вода. На Фиг.12 е показана принципната схема на директна система сестествена циркулация. Елементите означени на фигурата са: 1- слънчев колектор; 2-акумулатор (бойлер); 3- клапан. Водата от водопровода запълва акумулатора и следтова тази вода в следствие на различната плътност започва да циркулира от акумулатора2, през клапана 3, минава и се загрява в слънчевия колектор 1 и след това през 3 севръща обратно в 2. Цикъла може да се повтаря многократно стига да има различнатемпература между водата в акумулатора 2 и колектора 1. При използване на вода отпотребителя, автоматично от водопровода се изравнява баланса в бойлера. Топлата водасе взима от горната страна на акумулатора, а студената се добавя от долната. За да не серазбърква водата при добавянето на нова, входа за приток е направен отстрани.

Липсата на топлообменник, регулираща апаратура и помпи много опростяват схемата,но това намаля и ефективността на системата. Тя е удобна за географски ширини къдетосредната температура не пада под 00С, т.е. където няма опасност от замръзване наводата в тръбите. В другите случаи системата трябва да се използва само сезонно, т.е. впериодите от годината когато температурата е над 00С и слънчевата радиация едостатъчно силна. Това създава допълнително проблеми със зазимяването на систематаи обезводняването (източване на водата) през зимата, което има за цел да не замръзневодата в тръбите и бойлера. Необходимо е предпазване на покритието на абсорбера, зада не се повреди от слънчевата радиация без наличието на топлоносител в него. Товаособено важи ако покритието е от боя или друг термо-неустойчив материал.

Положителните качества на тази система са:

нейната простота;липсата на електрозависими елементи като помпи и регулиращ апарат;ниска себестойност

2.3.2 Принципна схема на директна система с


15 of 70 15.9.2010 г. 14:02

принудителна циркулация

Тази система е по-сложна от предишната. При нея вече има наличието на помпа ирегулиращ апарат.

Фиг.13

На Фиг.13 е показана принципната схема на директна система с принудителнациркулация. Елементите означени на фигурата са: 1- слънчев колектор; 2- акумулатор(бойлер); 3- циркулационна помпа, 4 – клапан, 5 – регулатор. Тук циркулацията наводата се осъществява чрез 3 – помпа. Нейната работа се следи и направлява отрегулатора 5. Той измерва температурата на водата след колектора и тази коятопредстои да са вземе за загряване от акумулатора. След това регулатора подавасъответния сигнал на помпата. Примерно при по-голяма слънчева радиация водата следколектора ще бъде с много по-висока температура в сравнение с тази в колектора.Тогава регулатора ще изпрати сигнал до помпата, тя ще увеличи скоростта на въртенена водата и така няма да се създава голяма разлика в температурите. През нощта илипри по-слабо слънце греене, регулатора ще отчете незначителна или никаква разлика втемпературите в двете точки и съответно помпата ще намали мощността си или изцялоще спре. Така се постига и икономия на енергия.

Клапаните 4 са поставени навсякъде защото при нарушаване на целостта на систематада не се получава голямо изтичане на вода.

Предимствата на тази система са следните:

висок к.п.д.;регулирана на мощността на помпата в зависимост от слънчевата радиация;надеждността;

Недостатъците са следните:

енергозависимост (при нарушаване на електрозахран-ването спирациркулирането на топлоносителя - вода);


16 of 70 15.9.2010 г. 14:02

по-скъпа;невъзможност за работа при температури по ниски от 00С.

2.3.3 Принципна схема на индиректна система спринудителна циркулация

За да се преодолее неспособността на работа при ниски температури е конструиранаследната система, показана на Фиг.14. Тя е по-сложна от предишната. При нея сенаблюдава наличието на топлообменен апарат. Веднага прави впечатлениеусложнеността на системата. Допълнителният елемент е топлообменникът – 6.

Фиг.14

Той разделя двата кръга, в които циркулират топлоносителите, които са различни. Тъйкато целта е да не замръзва работния флуид, най-често той е антифриз в първия кръг.Въпреки това обаче е нужна добра изолация на тръбната система и на топлообменника.Желателно е при възможност топлообменника и втория кръг да бъдат на закрито исъщо така да са изолирани. Добре е също така да се постигне минимална дължина натръбната система, което се отнася и за другите системи.

Използване на слънчевата енергия за получаване на електрическа енергия2.

3.1. Фотоелектрични преобразуватели

3.1.1. Общи сведения

В последните 40 – 50 години има бурно развитие в сферата на получаване наелектричество от слънчевата енергия. Причината за това развитие се дължи на многофактори, но основните са нуждата от електричество на космическите станции итенденциите за изчерпване на традиционните енергоресурси. Неговото интензивноизследване е свързано с шейсетте години, когато за първи път през 1958 г. билиизползвани слънчеви батерии за спътниците – американския “Авангард” и съветския


17 of 70 15.9.2010 г. 14:02

“Спутник 3”. Оттогава фотоволтаичните преобразуватели са се превърнали в незаменимизточник на енергия за изкуствените космически тела, като вече са се използвали заповече от хиляда най-различни спътника на Земята.

От двадесетина години започва по-усилено търсене на нови решения за приложение нафотоволтаици на земната повърхност. В следствие на това се получават много новивидове преобразуватели, много нови фирми започват да се занимават производството иразвитието на тази техника. Организират се много различни конференции свързани стози проблем. В развитите страни правителствата както със закони така и финансовоподпомагат предприемачите и желаещите да използват фотоволтаици за добиване наенергия. Например в Калифорния, освен че всички електрически компании са задълженида изкупуват добитото в повече електричество, те поемат при покупка нафотоволтаична система половината от цената.[8] Всичко това подпомага в последновреме развитието и масовото прилагане новите източници на енергия.

3.1.2. Фотоволтаичен ефект

Първите данни за фотоволтаичния ефект датират от далечната 1839 г., когато френскияучен Хенри Бекуерел открива, че може да се добива електричество осветявайки дваидентични електрода в слабо проводим химичен разтвор. Първото наблюдение нафотоволтаичния ефект от твърдо тяло, в случая селен, е от 1877г. Дълги години следтова той се е използвал за измерване на светлината, тъй като се е нуждаел от малкоенергия. По-задълбочените проучвания на този закон направени от Айнщайн през 1905и Шотки през 1930, са изискали да се направят нови клетки с по-голяма ефективност.Силиконовата клетка, която е преобразувала 6% от слънчевата светлина попадналавърху него в електричество била открита от Чапин, Пеасон и Фулер през 1954г., а тозивид клетки са използвани в специални приложения като например в космическитесателити от 1958г. [9] Фотоволтаичният ефект започва да се развива основно след катопрез 1954 г. Рейнолдс и колектив откриват този ефект при структурата Cu2S/CdS, аКарлсон и сътрудници го демонстрират от през 1958 г.

Основа на фотоелектричното преобразуване е директното въздействие на слънчевотолъчение върху електроните на твърдите тела. Всяко твърдо тяло притежава определенброй носители на електричен заряд под формата на свободни електрони и положителнидупки. Концентрацията им е различна според вида на материала: при изолаторите еприблизително 1016 – 1018 в м-3, при класическите полупроводници е от 1021 до 1022,при проводниците превишава 1028.

Полупроводниците представляват кристали с правилна структура. Примернокристалната решетка на силиция Si образува пространствена фигура тетраедър. Атомитеса разположени в центъра и върховете тетраедъра. Централния атом се намира наеднакво разстояние от другите четири атома. Всеки атом на върховете на тетраедъраслужи от своя страна като


18 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.15 Фиг.16

централен за други четири, най-близо разположени атоми. Няколко тетраедъраобразуват монокристал, представен на Фиг.15. На Фиг.16 е показан външния вид насилициев монокристал добит по метод Сzochralski. Сега направата на фотоволтаици отсилициев монокристал доби популярност поради своята ниска цена.

Идеалния монокристал е твърдо тяло, което има правилна периодична структура,разпростираща се в целия обем. Такива монокристали не съществуват, те винаги иматпримеси, размествания или липса на атоми. На Фиг.17, Фиг.18, Фиг.19 е показанпринципът на р и п полупроводник. Полупроводници-те притежават тясна забраненазона между валентната и прово-димата зона се наричат истински полупроводници.

Фиг.17 Фиг.18 Фиг.19

По-често се срещат полупро-водници, съдържащи примеси - известни още катонеистински полупроводници. Добавянето на чужди атоми в кристалната решетканарушава нейната периодичност и в енергийната схема се прибавят нови енергийнинива. Ако прибавените атоми увеличават броя на отрицателните носители на заряд –електроните, т.е се добави елемент от V група, то полупроводникът е от n тип. На Фиг.18 е даден полупроводник от тип n, като в случая е добавен атом на Р (Si+P) Когатодобавените към кристала атоми нямат достатъчно валентни електрони, т.е те са отIIIгрупа на периодичната система, те образуват положителни дупки в електри-ческото


19 of 70 15.9.2010 г. 14:02

поле. Такива кристали се наричат полупро-водници от р- тип. Съединявайки ги заедно,те образуват р/п връзка помежду си, по този начин се създава електрическото полемежду тях. На Фиг. 19 е даден полупроводник от p тип, като добавения атом е алуминий(Si+Al).

В полупроводниците има 3 зони – проводима, валентна и забранена. За единполупроводник е важна забранената зона. Тя се намира между валентната ипроводимата зона. Разстоянието между двете, изразено в енергия, се нарича широчинана забранената зона.

W = Wп +Wв

Широчината на забранената зона се измерва в електроволти (eV). Тя е равна на около 2eV при полупроводниците. Преминаването на електрони от валентната в свободнатазона, може да стане под влиянието на всякакъв вид енергия – топлинна, светлинна илинякоя друга. Създаването на токоносители в полупроводника под действието насветлинната енергия се нарича вътрешен фотоволтаичен ефект, а проводимостта -фотопроводимост.

Светлинния поток, който въздейства върху полуороводника, се състои от квантисветлинна енергия. Енергията на светлинния квант е:

e = hn ,

където: h е константата на Планк (h = 6,62 10-34J.s), а n е честотата.

Вътрешния фотоефект е възможен само тогава, когато енергията падаща наповърхността на полупроводника е толкова голяма, че е съизмерима с широчината назабранената зона ?W. Ако hn е по-малко от ?W, нито един електрон не може дапремине в зоната на проводимостта и не се набюдава фотоефект.

За различните полупроводници вътрешния фотоефект се проявява под действие налъчение с различен спектрален състав. При едни полупроводници той се наблюдава,когато облъчващата светлина е в ултравиолетовата част на спектъра, при други – въввидимата, а при трети – в инфрачервената. Ето защо всеки фоточувствителенполупроводник има своя спектрална характеристика на вътрешния фотоефект.

Съединявайки заедно двата полупроводника от p и n тип, те образуват р/п връзкапомежду си (показана на Фиг. 20), по този начин се създава електрическото поле междутях. Приборите създадени на основата на този тип кристални полупроводници сенаричат още фотоелементи и служат за прeобразуване на светлинната енергия велектрическа. Слънчевите елементи се явяват разновидност на фотоелементите и сеизползват пряко за преобразуване на енергията на слънчевите лъчи в електрическаенергия.

Опитът показва, че ако полупро-водникова пластинка със създаден в


20 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.20

нея РN преход се освети с лъчист поток Ф, чиито фотони имат енергия по-голяма отенергията на забранената зона на полупроводника (h > W), то на изводите от Р и Nобластите ще се получи фотоелектродвижеща сила. Една от областите (Р или N), върхукоято пада поток Ф, трябва да бъде достатъчно тънка, за да могат фотоните дадостигнат до обемния заряд на РN прехода. Основните причини за появата нафотоелектродвижещото напрежение са: фотогенерацията на двойката токоносители(електрони и дупки) и разделянето им под действието на вътрешното контактноелектрическо поле Ео на прехода, което ги натрупва в Р и N областите, извън обемниязаряд. В N областта се натрупват електрони и тя се

Фиг.21

зарежда отрицателно, а в Р областта се натрупват дупки и тя се зарежда положително.Движението на токоносители под действието на полето Ео, обуславя електрически токIФ, който се нарича фототок. Зарядите в двете области създават напрежение U междутях, което поляризира РN прехода в права посока. Това напрежение от своя странаформираток Id и тогава за тока I във веригата извън РN прехода може да се напише:

I=IФ- Id

Всички тези процеси, както и външния вид на p/n прехода и на фотоелемента са даденина Фиг.21


21 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фотоволтаичният ефект намира приложение за направата на фотоелектрическиполупроводникови прибори, в които под въздействието на светлинен поток Ф, върхуобластта на РN прехода се генерира електродвижеща сила. На Фиг.22 е даден вида натакъв фотоелемент елемент. Както се забелязва устройството на фотоелементите,наричани още фотоволтаици, не се различава от това на фотодиодите.

Фиг.22 Фиг.23

На Фиг.23 е показан механизмът на фотоволтаичния ефект в един фотоелемент. Едначаст от слънчевата радиация се отразява от повърхността на фотоелемента, а другатапреминава през полупроводника. Фотоните, с енергия по-малка от тази на забраненатазона (h > W) достигат до задния контакт и го прегряват. Фотоните с по-малка енергия сепоглъщат от полупроводника и само част тяхната енергия, която е h = W спомага запоявяването на ефекта, а другата се преобразува в кинетична енергия на свободнияелектрон и накрая в топлина. Това е показано най-добре на Фиг.21. Там се вижда, чепри облъчване h

3.1.3. Фотоволтаик

Фото елемента (фотоклетка) представлява диод с формата на диск, при който приосветяване се създава потенциална разлика между двата края на полупроводниковиядиод. Фотоклетката в повечето случаи е с размери 10х10см, ако е правоъгълна. НаФиг.24 е показана фотоклетка, като в случая тя е кръгла.


22 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.24

Оценката на електрическите характеристи-ки на един фотоелемент се получава припредположението, че то се описва с опростената заместваща схе-ма. На Фиг.25 епоказана опростената еквивалентната схема на фотоелемент. Еквивалентната схема нафотоклетка е изградена от диод и от източник на ток, които са свързани в паралел.Източника на ток генерира фототок

Фиг. 25

Iph, който e пропорционален на слънчевото облъчване Е. P/n прехода на слънчеватаклетка е еквивалентен на голям диод, който също участва в схемата.

Тока който се получава от фотоклетката може да се намери от закона на Кирхоф:

където:

ID – тока на диода;

IS – обратния ток на насищане на диода;

m – “идеалния фактор” на диода m = 1...5VT ;

VT = 25,7mV при 25°C;

k – константата на Болцман k = 1,380658 · 10-23 JK-1;


23 of 70 15.9.2010 г. 14:02

T – абсолютната температура; [T] = K = -273,15°C;

e – заряда на електрона e = 1,60217733 · 10-19 As.

Опростената еквивалентна схема обаче не може да даде оптимална представа наелектрическия процес в фотоклетката. В истинската соларна клетка има загуби нанапрежение в повърхностния контакт. Тези загуби са предвидени в пълната едно-диоднасхема показана на Фиг.26 чрез резис-тора RS. Освен това загубите от утечка сапредставени чрез паралелния резистор RP.

Фиг.26

Произхождайки от първото уравнение на Кирхоф, от равенството може да се построиволт амперната характеристика.

0 = IPh - ID - Ip – I като:

следва:

Това уравнение, както се подразбира, не може така точно да обясни отношениетомежду тока и напрежението, както уравненията от първия метод от опростенатаеквивалентна схема. По тази причина трябва да се използва метода на Нютон –Рапсон.За по-голяма точност трябва да се използва метода с два диода. Повече заметода има в /11/.На фиг. 27 е дадена волт-амперната характеристика намултикристална слънчева клетка с размери 10х10 см, като са сравнени измерванията иизчисленията за двете еквивалентни схеми. Опростения модел от Фиг. 25, показан спунктирана черта на диаграмата, е с идеален диод (m=1) и показва широко отклонение,докато по-добри показатели могат да се достигнат чрез използването на реален диод(m>1). На схемата кривата изобразяваща


24 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.27

реалния диод е начертана с прекъсната линия. Но най-точни резултати могат да сепостиганат с пълния едно-диоден модел, даден на Фиг.26, начертан на Фиг. 27 с правалиния. Измерванията са отбелязани с точки. Графиката е построена при облъчване нафотоволтаичните клетки с Е=430W/m2, и при температура T=300 K (Т=26,850С).

Фиг. 28

На Фиг.28 е дадена волт-амперната характеристика на тока “на тъмно” в широкдиапазон на изменение на напрежението. За да бъде измерен този ток, се е налижило дасе приложи външен източник на нап-режение. В положителните напрежения диодът есвързан в права посока. При отрицателни напрежения диодът е запушен до 15 V, а следтова той може бавно да се повреди, т.е да настъпи пробив. При тези стойности нанапрежението, се отделя голямо количество мощност във вид на топлина. При ток 2 А,топлинното разсейване на клетката е вече 30 W, и при продължаване на увеличаване натемпературата може да се получи топлинен пробив на фотоклетката.[11]

3.1.4. Параметри на фотоелементите

Фотоелементите се описват с множество параметри и функционални зависимости, катонякои от тях са:

интегрална чувствителност (S);спектрални характеристики SI и SU;


25 of 70 15.9.2010 г. 14:02

волт- ампернахарактеристика;ток на късо съединение (Iкс);напрежение на отворена верига (Uов);

максималната мощност (Pmax);коефициент на полезно действие (КПД);коефициент на запълване (а);активна облъчена площ(А).

За получаване на сравнително пълна картина за даден фотоелемент, освенелектрическите характеристики трябва да се отчитат и резултатите от структурните итопографските изследвания. Интегралните чувствителност на тока и напрежението отсветлинния поток Ф се определят при дадено стандартно разпределение на лъчистияпоток (получава се най-често от стандартен източник клас А. който представляваволфрамова лампа, нагрята до 2856 °К). Чувствителността SI на Iкс от потока Ф сеописва с израза:

SI= Iкс /Ф, [A/W]

При малки осветености имаме линейна зависимост. При по-голяма осветеност,функционалната зависимост I = f(Ф) не е линейна и затова се дефинира и диференциалнатокова чувствителност

k=dI/dФ, [A/W]

Спектралните характеристики представляват зависимости на токовата (SI) илинапрежителната (SU) чувствителности от дължината на вълната на монохроматиченсветлинен поток и се представят най-често в относителни единици спрямо максималнатачувствителност за съответната дължина на вълната. Съществуващите фотоволтаициимат максимална чувствителност в диапазона на видимата светлина от слънчевияспектър. Функционалните зависимости между тока във веригата и напрежението наизводите на фотоелемента (I = f(U)), които се представят най- често като семействокриви с параметър на лъчистия поток Ф се наричат волт-амперни характеристики. Тезихарактеристики на фотоелемента съвпадат с волт- амперните характеристики нафотодиод в генераторен режим. Като вземем предвид уравнението

SI= Iкс /Ф

и това, че:

Id = Is(eu/mф-1)

където: ф =T/11608;

Is - ток на насищане;


26 of 70 15.9.2010 г. 14:02

m - коефициент, отразяващ рекомбинацията и

повърхностните явления.

Следователно за тока I във веригата можем да запишем:

Id = IфIs(eu/mф-1)

Волт- амперната характери-стика на силициев фотоелемент е дадена на Фиг. 29 Приосветяване волт- амперната характеристика запазва формата си, но се отмества попосока на отрицателните стойности на тока. Върху характеристика се различават двехарактерни точки - върху оста на тока и върху оста на напрежението. Пресечните точкивърху оста на напре-жението определят напреже-нието при отворена верига Uов и могатда се получат при полагане на I = 0 в последното уравнение.

Фиг.29

Пресечните точки върху оста на тока определят тока на късо съединение Iкс и могат дабъдат определени от уравнение

Id = IфIs(eu/mф-1)

при полагане на U = 0.

Максималната мощност от даден фотоелемент може да се получи чрез оптимизиране напроизведението U.I. Тази точка на максималната мощност съответствува нанапрежението Um, което е малко по-малко от Uпх- Режимът на работа на фотоелементаможе да бъде фиксиран в точката на максималната мощност чрез свързване къмфотоелемента на товарно съпротивление Rт = Um/Im.

Основният параметър, охарактеризиращ фотоелементите е коефициента на полезнодействие (КПД). Той отразява отношението на максималната мощност Pmax, коятоможе да се получи от фотоелемента спрямо общата мощност на падащия светлинен


27 of 70 15.9.2010 г. 14:02

поток, която е равна на активната облъчена площ по интензитета на слънчеватарадиация, отразено в проценти и се определя от следния израз:

,%

където: Рmax = Uоп.Iоп е максималната мощност, получена от фотоелемента, а Фпредставлява мощността на падащия светлинен поток, изразена в [W], а S е площа в[m2]. На Фиг. 30 е дадена волт-амперна характеристика на фотоелемент при определенсветлинен поток Ф.

Оптималните стойности на тока и напрежението (Iоп, Uоп) определящи Рmах, са токът инапрежението на фотоелемента при работната точка, определена от пресичането наВАХ с товарната права.

Трябва да се отбележи, че к.п.д. на една фотоклетка зависи от променливи параметри:

Фиг.30

интензитета на слънчевата радиация Е [W/m2];температурата на фотоелемента Т [0C];товарното съпротивлениеRт[?];продължителността на използване на фотоволтаика.

Изходната мощност на една слънчева клетка е почти пропорционална на интензи-тетана слънчевото греене. Типичния монокристален силикон с размери 10х10 cm (активнаплощ 100 cm2), произвежда средно около 1,3 – 1,5 W, при напрежение около 0,5 волтаи около 3 amps при максимална интензивност на слънчевото греене, което се приема за


28 of 70 15.9.2010 г. 14:02


1000Wm-2 и се нарича греене на “едно слънце”.[9] На Фиг.31 се вижда, че при промянана облъчването се променя и мощноста на изхода на фотоелемента. В случая опита енаправен с пълна интензивност на слънчевото греене и с интензивност наречена “наполовин слънце” и равна на 500Wm-2.[11]

Тъкато фотоволтаичните клетки са полупроводници, наличието на сянка също влияе напроизведената от елемента мощност. Например на Фиг.32 фотоклетката е затъмнена сповече от 80%. Резултата, е че изходната мощност намалява драстично. Приповишаване на температурата изходната мощност на фотоелемента намалява. Това севижда на Фиг.33. Tемпературния коефициент TC се изчислява по следната формула:

където у е площа. Ако има линейна връзка между температурата Т и у тотем-пературния коефициент е:[11]

Типичните стойности на загуби на мощност са 0,35 - 0,45 % при повишаване натемпературата с 1°С, което означава, че при увеличаване на температурата с 300С,загубите се равняват на около 10,5 – 13,5%. Тези загуби се дължат главно на намаляванена напрежението на празен ход. Това е така, поради това, че увеличената температурапредизвиква повече на брой носители в полупроводника, т.е повече рекомбинации. Товаводи до протичане на по-голям ток през диода, т.е. намаляне на Uпх. Типично за


29 of 70 15.9.2010 г. 14:02

фотоелементите е, че токът им се влияе слабо от температурата, и точно на това седължи намалянето на мощността. [1]

Последния значим фактор от който зависи к.п.д. на фотоволтаика е товарнотосъпротивление. В случая на Фиг.34 е дадено на съпротивлението за цял модул, но то ееквивалентно и за единична клетка. Ако модулът захранва батерия, то той трябва да гозахранва с по-високо

Фиг.34

напрежение от това на батерията. Ако батерията е изтощена фотоволтаика я захранва спо-ниско напрежение, което е отбелязано на Фиг.34 в точка 1. Ако батерията достигнедо пълно зареждане, той изисква от фотоволтаика по-високо напрежение което еотразено на точка 2.

Предпоследният параметър на фотопреобарзувателите е коефициента на запълване.Волт-амперната характеристика се вписва между два правоъгълника, които могат да севидят на Фиг.29 и на Фиг.30. Отношението на площта на по-малкия към площта напо-големия се нарича коефициент на запълване а.

Площта през, която прониква абсорбирания светлинен поток, генериращтоконосителите във фотоелемента се нарича активна облъчена площ А и се измерва в[сm2].

3.1.5. Загуби на фотоелементите

В следствие на несъвършенството на фотоелементите като преобразувателноустройство, едновременно с последното преобразуване на светлинната енергия велектрическа се наблюдават и процеси свързани с безполезното й разсейване. Загубитевъв всеки фотоелемент могат да бъдат разделени на две основни групи: светлинни иелектрически загуби [4].

Светлинните загуби се формират от:

загуби от процеса на отразяване на част от падащия светлинен поток отповърхността на фотоелемента;загуби от процеса на проникване на определено количество фотони надълбочина (от р - п прехода), по- голяма от дифузионната зона;загуби от протичането на неактивни фотоелектрически поглъщания (безвъзникване на токоносители) в полупроводника.


30 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Намаляването на енергията на електроните и дупките при тяхното движение въвфотоелемента, определя електрическите загуби произтичащи от следните причини:

рекомбинация на създадените двойки токоносители (на повърхността, в обемаили в р -n прехода);наличието на последователното съпротивление Rs (полупроводник -контакти), през което преминават токоносителите;загуби от ток на утечка (презRр-п).

Фиг.35

На фиг.35 е показано примерно разпределение на загубите в проценти при силициевфотоелемент, работещ в оптимален режим (при съгласуван товар). Слой монокристаленсилиций, който сега вече е около 200 µm, достига в лабораторни условия 24%ефективност, но при естествени условия ефективността пада до 15%. Мултикристалния


31 of 70 15.9.2010 г. 14:02

силиций е по-евтин, но и с по-ниска ефективност. Тя достига в лабораторни условия18%, но е само 14% при нормално използване. Най-добри показатели са постигнати сгалиево-арсенни (GaAs) фотоклетки. Те по принцип се използват с концентратори ипредимно за космически енергийни системи. Постигната е ефективност повече от 25%при осветяване с “едно слънце” т.е. с 1000Wm-2, и около 28% при използване наконцентратор. Очаква се фотоволтаичните клетки базирани на GaAs да достигнатефективност от 30%.

В практиката се използват различни техники за намаляване или отстраняване нафакторите пораждащи определени загуби (светлинни или електрически) с целповишаване на КПД на фотоелементите. Например за намаляване на процеса наотражение върху повърхността на фотоелемента се нанася тънък слой от магнезиевфлуорид (МgF).

3.2. Елементи изграждащи една фороволтаична

система

3.2.1. Слънчеви клетки

Най-често срещания материал, от който се правят слънчевите клетки е силиция. Тъйкато с начина на добиване и със свойствата на силициевите клетки е писано много, а итова е била тема на други дипломни работи, аз няма да се спирам основно на това.

Силицият е твърд, блестящ, сив на цвят кристален елемент с плътност 2,4 g/сm3. Тойкристализира в същата система както и диаманта, като характерният размер накубичната клетка е 5,42. 10-10 т и всяка клетка съдържа осем атома. Силиция е с атоменномер 14. Той има четири валентни електрона и е втория най- разпространен елемент наЗемята (първият е кислород), като се добива от кварц, опал или пясък.Най-разпространените видове слънчеви клетки са на основата на силиций, като еднитебиват дебелослойни - от кристален силиций, а другите тънкослойни - от аморфенсилиций. От своя страна дебелослойните клетки биват монокристални и поликристални.И двата вида се изработват от пластинки силиций с висока чистота и дебелина 0,4 мм.При серийното производство най-висок к.п.д. е получен при клетките от монокристаленсилиций. За една такава слънчева клетка при нормални условия: Т = 25 °С и мощност налъчението G = 1000W//m2, к.п.д. достига 13 - 16 %, в зависимост от качеството наизработката, производствените методи и чистотата на силиция.

Важни елементи на слънчевата клетка са електрическите контакти в двата й полюса,които се свързват с външния товар. Задният контакт, който е непряко изложен наслънцето, покрива цялата задна повърхност и обикновено представлява тънък алуминиевслой. Предният контакт, приема радиацията и представлява метална решеткаобикновено от сплави на среброто като покрива около 15 % от предната повърхност, аостаналата нейна част (85%) приема слънчевата светлина. Размерите на металнатарешетка представляват предмет на компромисен избор. Една достатъчно голямаширина и плътно разположение на палците на решетката, създава малко съпротивлениеза събирането на токоносителите и следователно малки загуби на мощност нафотоелементи. Това обаче изисква голямо покриване на предната повърхност на


32 of 70 15.9.2010 г. 14:02

фотоелемента от съответния електрод, което намалява полезната колекторнаповърхност, т.е. производителността на фотоелемента. Обикновено конфигурацията напредния електрод, се избира с помощта на персонален компютър. Ширината на палцитесе увеличава, движейки се до ивицата, като по този начин тяхното съпротивление сенамалява с увеличението на тока, а загубите на фотоелемента остават постоянни.

Фотоклетката отразява част от слънчевата радиация попадаща върху нея към околнатасреда. Тъй като тази част не е малка, около 30% се налага да се предвиди специалнопокритие, получено от антиотражателен елемент. След такова покриване отражениетонамаля до 5%.

Има и още много други материали за слънчеви клетки. С особени възможности заразвитие се характеризират медноселеновите CuSe2 тънкослойни слънчеви клетки,медноиндиевия диселенид CuInSe2, титанов диоксид TiO2, фотоелементите основаващисе на монокристали, като галиев арсенид GаАs, поликристалните клетки от материалитекадмиев сулфит (СdS) и кадмиев телурат (СdТе), а от тях се прави слънчева клетка -glass/IТО/СdS/СdТе, като проблема е в получаването на електропроводимо стъкло снанесен слой от индиево калаен оксид (IТО). Използват се също и Шотки-диоди заполучаване на евтини фотоелементи. Разработват се още полупроводникови материалис цел да се увеличи к.п.д.

3.2.2. Слънчеви батерии

Най-използваните фотоелементи имат твърде малки диаметри до 5 см, ако са кръгли и10х10 см ако са правоъгълни, и с дебелина от 0,3 - 0,5 мм. От тези фотоволтаици примаксимален интензитет на слънчевото лъчение се получава мощност до 0,3 W принапрежение по-малко от 0,5 V. Затова те се свързват в модули, за да повишатнапрежението и добиваната мощност. Електрическата мощност на една слънчевабатерия зависи от размера и броя на фотоелементите, от тяхната взаимна връзка, иразбира се от околната среда, на която е изложен модула. При последователнотосвързване на клетките тока се запазва постоянен I1=I2=… I36, докато напрежението сеувеличава:

Фиг.36

На Фиг.37 е дадено графично изменението на напрежението при свърз-ване на 36клетки. Вижда се изменението на напре-жението от 0,5V до 20V.[11


33 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.37 Фиг.38

Например за да се получи модул с напрежение 12 V трябва да се свържат средно 30 –40 фотоволтаични клетки. Този модул произвежда 50 W и е с размери 40х100 см.Такива панели са дадени на Фиг.38, Фиг.39, Фиг.40 и Фиг.41. На Фиг.39 слънчевитеклетките са кръгли и са изградени от монокристален силиций. На другите фигуриклетките са правоъгълни, като на Фиг.40 те са от поликристален силиций, а на Фиг.41 саот аморфен силиций (a-Si). На Фиг.38 е дадено и изграждането на слънчевата батерия отняколко модула.


За да се увеличат мощността и напрежението, няколко фотоелемента се свързват в единпанел. За да се удвои напрежението, два фотоелемента се свързват последователно, катогорният отрицателен електрод на първия фотоелемент се свързва с долния положителенелектрод на втория чрез подходящ контакт. За да се удвои мощността при постояннонапрежение, двата горни електрода се свързват заедно за отрицателен извод, а двата


34 of 70 15.9.2010 г. 14:02

долни електрода за положителен. Ако трябва да се получи малка мощност и високонапрежение, фотоелементите могат да се нарежат на части с еднаква площ и да сесвържат последователно. Чрез паралелно и последователно свързване на определенброй фотоелементи може да се получи всякаква желана мощност при каквото и да енапрежение. При свързването на фотоелементите е необходимо да се съгласувателектрическите им характеристики, както следва: при паралелно свързванефотоволтаиците трябва да имат еднакво напрежение на празен ход и по-важно да иматеднакво напрежение в точката на максимална мощност; при последователно свързване енеобходимо фотоелементите да имат еднакви характеристики. В резултат на това к.п.д.на цялия модул се ограничава от некачествените фотоелементи. При повишаване натемпературата на панела, изходната мощност допълнително се намалява в следствие навътрешни загуби. Потокът на разсейване в клетката почти винаги се определя отизходящото напрежение. Някои учени изследват разсейването на потока чрез измерванена температурата в клетката. При слънчевите клетки за първи път това е направено отМартинузи. Той е използвал инфрачервена камера, за да измерва температурата.Чувствителността на инфрачервената не била много голяма, но въпреки това позволявада се локализират местата с най-голяма концентрация. Практически слънчевите батериисе състоят от няколко панела с еднакво изходно напрежение и мощност, като саприведени към съответните стандартни напрежения (1,5V; 6V; 12V; 24V; 48V).

При създаването на слънчеви електростанции с по-голяма мощност и високо изходнонапрежение, трябва да се има предвид - т. нар. проблем на „горещото петно", който есвързан с несъответствие в електрическите характеристики на фотоелементите илипроявил се дефект в даден елемент от един панел. Практически проблемът се състои втова, че на изхода на един панел е необходимо да се поддържа постоянно напрежение.При появата на дефектен елемент неговото напрежение е по-ниско от това наостаналите елементи в панела и за да се изравни то, работната точка на изправнитегрупи в панела се премества към по-високи напрежения и по-малки токове, аследователно и към по-малка мощност. Така изходната мощност на целия панелнамалява. Спадането на напрежението в повредената клетка или група от клетки от U доU2 трябва да се компенсира с увеличаване на напрежението във всички изправни групиот U до U1., тажа че:

(U1- U) = U+U2

В резултат на това работната точка на изправните групи върху волт-ампернитехарактеристики се премества към по-високите напрежения и по-малките токове иследователно към по-малка мощност. Така изходната мощност на целия панел намалява.

Проблемите от този род могат да се избегнат чрез подходящо свързване нафотоелементите в панела. За тази цел във всяка група трябва да се свързват паралелно,възможният най-голям брой фотоволтаици. Опитите със слънчевите панели показват, чепо този начин могат да бъдат премахнати условията за този вид повреди. Ако не евъзможно паралелно свързване на много фотоелементи, проблемът може да бъдепреодолян чрез шунтиране на всяка паралелно свързана група с диод, който позволявапротичането на голям обратен ток, при малко отрицателно напрежение всеки път,когато отделен фотоелемент се повреди.

Слънчевите модули, които се произвеждат имат доста крехка структура и затова трябва


35 of 70 15.9.2010 г. 14:02

да бъдат защитени механически и от двете им страни. За целта се прави т.нар.„сандвичова" структура, при която фотоволтаиците се поставят върху твърда подложкаи се покриват с прозрачен горен защитен слой. Коефициентът на термично разширениена материалите от горния и долен защитен слой трябва да бъде еднакъв и освен това дае сравним с този на фотоелемента и на използваната свързваща смола. За момента най-широко използваните материали са стъклото и пластмасите. Фотоелементите,херметизирани под стъкло имат това предимство, че не изменят оптичните,механичните и електрическите си свойства при продължителна работа на открито.Полимерите не могат да предотвратят проникването на влага, следователно те саподходящи само когато фотоволтаика и металните контакти са защитени сантикорозионно покритие. Пластмасите са по-леки от стъклото, но притежават ефекта„стареене" при продължителна работа на атмосферни условия, което силно влияе върхутехните качества. Горният прозрачен защитен слой позволява лесното почистване наслънчевите батерии и все пак при монтажа си те трябва да бъдат поставени така, че дасе избегне силното им замърсяване и задържането на сняг върху тях. Това практическисе осъществява чрез южната ориентация на панелите и поставянето им под наклон,съответстващ на географската ширина на мястото, както и вземането предвид на сезоназа работа. Някой панели са ориентирани югозападно, за да могат да произведатнеобходимата енергия за следобедния максимум. За повечето места ъгъл на наклонаблизък до хоризонталния ще осигури най-много енергия през цялата година.

Факторите, които определят мощността са следните:

коефициент на полезно действие на клетките;товарносъпротивление;слънчева радиация;клетъчнатемпература;засенчването на една или всички клетки от модула.

Коефициентът на полезно действие е застъпен още при тяхното производство -употребяваните днес елементи са с к.п.д. от 3% - 20% при преобразуването наслънчевата енергия в електрическа.

Товарното съпротивление определя работната точка от волт- амперната характеристика,при която панела функционира (на Фиг.34). Предпочитаната точка е там където сеполучава максимална мощност - наречена пикова.

При засенчване на част от модула изходната мощност и волт-амперната характеристикасе променят драстично. Например при модул съдържащ 36 клетки от монокристаленсилиций с размери 10х10 см, една клетка е затъмнена, т.е. засенчена 75%. Другитеклетки са осветени нормално. На Фиг.42 е обяснено получаването на крайната V/Aхарактеристика след засенчването отбелязана с 1. За да се изчисли токът, напрежениетое калкулирано чрез добавката на засенчения елемент – крива 1а и 35 пъти напрежениетона нормално осветените клетки – крива 1b. Крайната волт-амперна


36 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.42

характеристика показва драстичното намаляне на мощността от засенчването на 1клетка. Когато са засенчени само 2% от площа на модула, изходната мощност середуцира с 70%. Точките на максимална мощност Р1 и Р2 са маркирани на диаграмата.Причината е в това, че както при “горещото петно”, така и засенчената клетка се явявакато товар. Както вече писах това може да се избегне с поставянето на диод, нареченбайпасен диод. По тази причина в произвежданите фотоволтаични модули е включенбайпасен диод на една или няколко клетки.[9] Ако към слънчевата клетка се приложатобратни напрежения, тока преминава през допълнителния диод. На Фиг.43 е показанаопростена еквивалентна схема на соларна клетка с байпасен диод.

Фиг.43

Ако е добавен диод към всяка клетка, изходната мощност ще е редуцирана само отенергията на затъмнената клетка, в случай на засенчване, плюс загубите на диода. Но вповечето модули диодите не са включени към всяка клетка, а са сложени на групи от по12 или 24. разрушаването на модула от така нареченото “горещото петно” може да сеизбегне по този начин но загубите са големи. На Фиг. 44е дадено: с 1 – волт-ампренатахарактеристика на фотоволтаичен модул изцяло осветен; 2 – една клетка е засенченаизцяло, но има байпасен диод към нея; 3 – с допълнителен диод на група от клетки; 4 –без диод. [9]


37 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.44

Изходната енергия на модула не е достатъчна за захранването на товара или батарията.Затова модулите се свързват помежду си в слънчева батерия с цел да се увеличатнапрежението и мощността на изхода. Когато модулите са свързани в паралел, токът сеувеличава. Например ако 3 модула, с напрежение 15 V и ток 3 A са, свързани в паралелте ще произвеждат пак 15 V, но токът вече е 9 A. Това е дадено на Фиг.44.Акоенергията се складира в

Фиг.44

акумулаторни батерии, може през нощта да се появи обратен ток през фотоволтаика.Този обратен ток ще разрежда батериите. Затова се използва диод, който служи дапредотврати тези загуби. На Фиг.45 са показани начините му на свързване. Диодът,свързан паралелно на всеки модул (байпас), позволява непрекъснато протичане на токпри повреда в модула, а диодът , свързан последователно с всеки панел, нареченблокиращ, осигурява отсъствието на външни токове между панелите при повреда нанякой от модулите. Диодите с най-малка загуба на напрежение са шотки диодите, вкоито пада на напрежение е около 0,3 волта, докато при силиконовите е 0,7 V.[12]


38 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.45 Фиг.46

На Фиг.46 е показано свързването на 12 модула за получаването на слънчева батериясъс всички необходими за целта диоди.

Важен недостатък на слънчевата радиация е малката и мощност, поради което сеизискват големи повърхности от скъпоструващи слънчеви клетки за производството назабележително количество електрическа енергия.

Това може да се реши чрез:

поставяне на слънчеви клетки в движещи се системи, следящи непрекъснатоположението на слънцето, така че да приемат перпендикулярно слънчеватарадиация;използване на рефлектори;фокусиране на светлината с помощта на огледала и лещи. Устройството зафокусиране позволява да бъде намалена площта на панелите, съдържащифотоелементите и следователно тяхната цена.

За ефективността на фотоволтаика е от значение разположението на панела спрямослънцето. Както и за слънчевия колектор, така и слънчевата батерия е най добре да серазположи на ъгъл спрямо хоризонта равен на ъгъла на географската ширина. Разпо-


39 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.47 Фиг. 48

ложението е дадено на Фиг.6, но за фотоволтаиците ще е по-ефикасно ако ъгъла нанаклона се променя през различните сезони. На Фиг.47 и Фиг.48 са дадениразположенията на панелите през различните сезони, като Фиг.47 се отнася за лятото, аФиг.48 – за зимата.

Оптималните ъгли за всеки месец са дадени в Таб.1. Съществуват така нареченитеследящи системи, които могат да променят ъгъла на наклона на панела във всекимомент спрямо азимута на слънцето.[12] На Фиг.49 е даден следящия елемент на такавасистема, наречен търсач ( Sun seeker system). Модулите, които следват слънцето, гоправят като се въртят на една или две оси. Тези системи се справят най-добре в райони сумерен климат. На Фиг.50 е показано графично как се подобрява изходната мощност нафотоволтаичната система през различните часове на деня.

Фиг.49 Фиг.50

При едноосната система модула, дадена на Фиг.51, следи движението слънцето само отизток на запад. Ъгъла между модула и хоризонта не се променя. Фотоволтаика презцелия ден е насочен максимално към слънцето, но не винаги е точно срещу него.

Този недостатък е избегнат с двуосовата следяща система, която е показан на Фиг.52.При нея модулът следи слънцето от изток на запад, но в същото време се мени и ъгълътна наклона на фотоволтаика спрямо земята (хоризонта). Така модула е винаги насоченперпендикулярно спрямо слънчевото лъчение и така се създават условия за по-пълноприемане и трансформиране на слънчевата радиация. Двуосната следяща система езначително по-сложна, но и по-ефективна от едноосната.


40 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.51 Фиг.52

Но следящите системи не са евтини и допълнително оскъпяват фотоволтаичнатасистема. По-добрият (по-евтин) вариант е просто панела да бъде подвижен и ръчно дасе променя ъгълът всеки сезон или месец.

Съществуват портативни слънчеви модули, които са малки, около един квадратен фут(30,5x30,5 см ~0,1м2), лесно преносими от един човек. Те лесно се нагласят спрямооптималния ъгъл на наклона на фотоволтаика. Такъв модул е даден на Фиг.53. Той сеприбира в специално пакетче и е преносим при нужда. 10 такива и една немного голямабатерия-акумулатор са достатъчни за захранването на един малък телевизор илуминесцентна лампа при един престой извън населено място, например при почивка впланината.

Фиг.53

По-големи фотоволтаици могат да се монтират на специални платформи, на автомобилиили камиони. На Фиг.54 е показан такъв вид система, която е конструирана, така челесно да се променя наклона на слънчевата батерия. На другата фигура (Фиг.55) севижда фотоволтаик монтиран на камион, който в случая служи за добиване на енергиязахранваща хладилна машина в превозното средство. [12][14]


41 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.54 Фиг.55

На Фиг.56 е даден модул с рефлектори. Откакто рефлекторите са станали по-евтини отфотоволтаичните модули, този метод се използва все повече. Устройството зафокусиране позволява да бъде увеличена изходната мощност на панелите, съдържащифотоелементите и следователно намалена тяхната цена. Друго предимство нафокусирането е увеличаване на к.п.д. на слънчевите клетки.

Фиг.56

Но рефлекторите имат и своите недостатъци:

не всички модули са проектирани за високите температури, които сеполучават. При повечето фотоволтаици преобразу-ването и физическатаструктура на фотоелемента ще пострадат от използването на рефлек тори,тъй като при високата температура изходното напрежение намаля.

рефлекторите работят предимно преките слънчеви лъчи. Това означава, черефлекторите са за предпочитане при географски ширини където няма многооблачни дни. Това означава, че не винаги е оправдано използването нафокусираща система за цялата година.

Другия начин за увеличаване на мощността на модулите е фокусиране на светлината спомощта на огледала и лещи. Предимството на този метод, е че устройството зафокусиране позволява да бъде намалена площта на панелите. Възможно е използванетона получаваната топлина за различни цели, постигайки по този начин пълно използванена слънчевата радиация. Възможно е паралелно преобразуване на 10% от слънчевата


42 of 70 15.9.2010 г. 14:02

радиация в електрическа и на 40% в полезна топлинна енергия. В случай на високаконцентрация на слънчева радиация се изисква изкуствено охлаждане на слънчевитеклетки, за да не се намали тяхната ефективност. Недостатъците на фокусиращатасистема са същите както и на рефлекторите.

Единствената разлика обаче е че тази система е много по скъпа от рефлекторите.

Начините за закрепване на слънчевите батерии са същите както и на слънчевитеколектори. Новото тук, е че могат да се използват скоби за закрепване на по-малкимодули за различни повърхности. Тези повърхности най-често са покриви, стени,фундаменти, превозни средства, стълбове и др. Скобите са направени обикновено оталуминий. Ако се използва стомана за скоби, трябва да се вземат мерки за ограничаванена корозията. Използват се скоби от неръждаема стомана. Избягва се използването напоцинковани скоби.

Четири и повече модула могат да се монтират на стълбове. Обикновено се използватжелезни тръби – 2,5 цолови, максимум 3". Проблема с железните тръби, е че винагитрябва да се боядисат. Има специален начин на монтаж. На Фиг.57 е показан начина назакрепване. Могат да се монтират и по-големи слънчеви батерии ако тръбите секонструират прaвилно. Материалите, които се използват за направа на тръбите сасъщите както и за скобите.

Фиг.57

При повече от 8 на брой модули се използва закрепване на фотоволтаиците на земята,или на фундаменти. Закрепването на замята става както и при слънчевите колектори,показано на Фиг.7 и Фиг.8.

3.2.3. Акумулаторни батерии

Необходимостта от подаване на постоянно (непрекъснато) напрежение къмконсуматорите е довела до използването на акумулаторните батерии като част от единслънчев генератор, тъй като в облачни и дъждовни дни, както и нощем добивът наелектрическа енергия от фотоелементите рязко намалява или изобщо спира.Акумулаторът може директно да се свърже към слънчевата батерия паралелно - дватаположителни полюса се свързват заедно, двата отрицателни полюса също. Присъответната работна температура фотонапрежението в точката на максимална мощносттрябва да бъде равно на зарядното напрежение на акумулатора. Количеството


43 of 70 15.9.2010 г. 14:02

електрическа енергия, необходимо за акумулиране, е достатъчно за работа на систематаот 3 до около 10 дни.

Интервалът между един период на зареждане и на разреждане се нарича цикъл. Видеалния вариант батериите се зареждат 100% по време на слънчев ден. Батериите нетрябва да бъдат изцяло разредени по време на използването им.

Няма друг компонент в фотоволтаичната система, който да е по-зависим от размера иконсумацията на товара. Ако липсва контролер на товара, тогава големия товар илипрекомерното използване може да разреди батериите до момент, в който те ще серазвалят и ще трябва да се сменят. Ако контролера не може да ограничипрезареждането на батерията, то тя може да се повреди от малко или липса на товар,или от дълъг период на слънце греене, т.е. зареждане.

Поради тези причини системата от батерии трябва да бъде оразмерена за по-голямтовар. Различните видове батерии имат различни максимални и минимални напрежения.Това дава обяснение на областта от напрежения, на които батерията работи междупълното разреждане и зареждане.

Изборът на батериите може да се направи по два начина:

първият е по възможност за зареждане в амперчас [Ah];втория е по дълбочина на цикъла на заряд.

При първия метод броя на амперчасовете които батерията може да се зареди е простотокът, който може батерията да даде, умножен по часовете, които батерията може даподдържа този ток. Конструкторите на слънчеви системи използват амперчасовете, зада определят колко дълго системата ще работи без каквато и да е слънчева енергия,която да зареди батериите. Това измерване като “дни на автономия” е важен параметърпри проектирането на системата, за различни географски области.

Някои батерии са проектирани за по-бързи разреждания, като за кратки периодиотдават цялата своя запасена енергия, без това да води до повреди. Тези батерии обачене са проектирани за по-бавен разряд, за по-дълъг период от време. Те не са подходящии не би трябвало да се използват във фотоволтаичите системи.

Други видове батерии са разработени за много бавни разреждания с по-дълго време напротичане на тока. Те са подходящи за слънчевите системи.

Ако батерията е зареждана или разреждана по различен от оказаните от производителяпродължителности, наличния амперчасов капацитет съответно ще се увеличи илинамали. В общия случай ако батерията се разрежда по-бавно, тогава нейния капацитетвероятно слабо ще се увеличи. По-бързите разреждания в общия случай намалятналичния капацитет.

Друг фактор който влияе върху капацитета на батерията е както нейната температура,така и тази на обкръжаващата я среда. Батериите са предназначени за работа при 80F(270С). По-ниски температури значително намаляват капацитета на батерията, докатопо- високи температури водят до леко повишаване, но това повишаване ще увеличи


44 of 70 15.9.2010 г. 14:02

загубата на вода и ще намали броя на циклите във живота на батерията. Графика назависимостта на капацитета от температурата е показана на Фиг.58.

Фиг.58 Фиг.59

Вторият метод за избор на батериите е по дълбочина на цикъла. Това описва колко отобщия амперчасов капацитет на батерията се използва по време на зарядо-разряднияцикъл. Като пример може да се спомене, че батерии със “плитък цикъл” законструирани да се разреждат от 10% до 20%, докато повечето батерии са проектиранида се разреждат до 80% от своя капацитет без повреда. Във фотоволтаичните системисе използват вторият тип батерии. Производителите на Ni Cad батерии с дълбок цикълтвърдят, че техният продукт може да претърпи цялостен разряд без да настъпи повредав структурата им. Въпреки същността си, дълбокоциклените батерии се влияят отдълбочината на разряд. Колкото по-дълбок е разряда, толкова по-малък е броят назарядните цикли във живота на батерията. Графичната зависимост между дълбочинатана разряда и живота на батерията е показана на Фиг.59. Броят на циклите също се влияеот времето за разряд, както и от температурата.

Най-използваните за момента са оловните акумулатори за стационарен режим. Тезибатерии са с дълбок цикъл на разряд. Те могат да се разреждат до 80%, независимо чепо-малката дълбочина на цикъла живот на батерията ще бъде по-дълъг.


45 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Оловните акумулатори са направени от оловни пластини, потопени в разтвор на сярнакиселина. Пластините са оловни смеси покрити с оловно окисна паста. Чистото олово емного крехко и не би издържало на транспортирането или просто на преместването набатериите и това е причината пластините да бъдат с примеси.

Положителните и отрицателните пластини са потопени в разтвора и е “направено”натоварване от производителя. При зареждане пастата на положителната пластина сепревръща оловен диоксид, а на отрицателния електрод се превръща в “гъбовидно”олово. Отделните пластини се редуват в акумулатора, като има отделители между тях.Групираните положителни и отрицателни пластини, заедно с изолаторите (Фиг.60) сепотапят в електролита и съставя една клетка на батерията.

Фиг.60

Широките пластини увеличават амперчасовете на батериите. Увеличения брой пластинидовежда до по-голям брой зарядно-разрядни цикли и до по-дълъг живот. Независимо отразмера на пластината, тя може да достави максимум 2 волта. Затова акумулатора есъставен от няколко клетки, свързани вътрешно или външно за да увеличатнапрежението на цялата батерия. Вътрешното устройство е дадено на Фиг.61. това епричината 6 V батерии да имат три клетки. В някой акумулатори използвани въвфотоволтаичните системи има само една клетка, позволяваща на собственика да съставитакова напрежение, което му е удобно и е кратно на 2. Външната връзка се прави спластини, които свързват изводите които са отгоре на батерията. Това позволява да сенаправи произволна гама от напрежения.


46 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.61

На Фиг.62 са показани външния вид на акумулаторните батерии и възможностите заизбор на напреженията.

Фиг.62

Автомобилните акумулатори не са подходящи, тъй като са от тягов тип, т.е.предназначени са да подават големи токове за относително кратък период от време,докато стационарните батерии не подават много големи токове, но имат много по-голямкапацитет на единица обем. Друга съществена разлика е малкия експлоатационен срокна автомобилните акумулатори, докато тези за стационарен режима на работа придобър контрол на процесите на зареждане и разреждане, могат да достигнатексплоатационен срок до 20 години.

При зареждане на оловните акумулатори, тяхното напрежение се увеличава постепенно,като за всяка клетка то нараства от 2,1V до 2,4 V при пълно зареждане. Изменението нанапрежението на оловната акумулаторна клетка при зареждането и разреждането си е


47 of 70 15.9.2010 г. 14:02

дадена на Фиг.63. Съответно и слънчевата батерия трябва да бъде така проектирана, ченейната точка на максимална мощност да бъде при 2,1 V, а напрежението й на празенход около 2,4 V, съответно умножени по броя на клетките в акумулатора.[1]

Количеството на киселината в електролита се измерва в “специфично налягане” нафлуида. Това измерва колко е количеството на електролита сравнено със същотоколичество вода. При максимален заряд на батерията, специфичното налягане е високо.На Фиг.63 е дадено изменението на налягането при зареждане и разреждане наакумулатора. Напрежението на всяка клетка, а и на целия акумулатор, е също високо.Измерването на това налягане по време на разряда е добър индикатор за нивото назаряд. Поради непостоянността на нивото на смесване на електролита, това измерванедали батерията е заредена е най-добрия индикатор за здравината на клетката.

Фиг.63

Работното напрежение на фотоволтаика е фиксирано от напрежението напрежение наакумулаторната батерия и се увеличава по време на презареждането. От волт-ампернатахарактеристика, дадена на Фиг.29, се вижда, че при нарастване на напрежението сенамалява изходния ток, като по този начин характеристиката на слънчевата батериясъвпада с тази на акумулатора. Дори при намален интензитет на слънчевото лъчение,слънчевите батерии могат да поддържат необходимото напрежение за зареждане наакумулаторите. При намаляване на светлината с 80%, напрежението на празен ход Uпхспада с не повече от 5 - 10%, тъй като зависимостта на фотонапрежението отинтензитета е логаритмична.

Тъй като фотоелементите имат голяма проводимост на тъмно, при същата полярност,каквато има и фотонапрежението при осветяване. За да не се допусне разреждане наакумулаторите през нощта през слънчевите батерии, то панелите се свързват къмакумулатора чрез диод, който играе ролята на вентил и не допуска протичането наобратен ток.

Както и при модулите така и тук може да се променя както напрежението на батериите,като се свържат последователно, така и тока, при свързване на акумулаторите в паралел.Най-използвания в практиката е свързването дадено на Фиг. 64.


48 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.64 Фиг.65

Както повечето постоянно токови системи, и във фотоволатаичната може да настъпятголеми загуби между източника на напрежение и товара или батерията. Това може да сеполучи главно при големи разстояния и при добър дизайн тези загуби могат да семинимизират. Например ако изходното напрежение на слънчевата батерия е 16V, тослед разстоянието от 300 м ще падне до 11V. Това е показано на Фиг.65. За да сеизбегне това се налага по възможност фотоволтаиците да се монтират максималноблизо до батериите и товара, т.е да се постигне максимално къса мрежа.

3.2.4.Останалите елементи на фотоволтаичната система

За ефективната работа на фотоелектрическите генератори са необходими и следнитеапарати за управление на системата:

Електрически регулатор за поддържане на напрежението. Понякога сепоставя и електронна система за поддържане на максимална възможнамощност, но не се използва при електрическите батерии с малка мощностзащото е скъпа.Система за защита с допълнителни резистори, допълнителни акумулиращисистеми или заземяване с цел отвеждане на допълнителната мощност прилипса на консумация. Тази система служи за предпазване на акумулаторите.Електрически конвертор за получаване на постоянно напрежение, тъй катонапрежението което подава слънчевата батерия е непостоянно, порадинепостоянната слънчева радиация.На изхода на фотоелектрическата система се поставя инвертор затрансформиране на постоянното напрежение в променливо, съобразено счестотата и големината на напрежението използвано в електрическата мрежа.Мощностите на инверторите варират от 50W ? 11000 W и повече, но най-разпространените са в интервала 500 W - 4000W. Повечето по-малки инвертори работят на 12 волта постоянно напрежение,но много от по-големите са конструирани за 24 или 48 волта.

3.2.5.Видове фотоволтаични системи

Фотоволтаичните преобразуватели се делят на два основни вида:

автономни фотоволтаични системи;


49 of 70 15.9.2010 г. 14:02

фотоволтаични системи свързани с електрическата мрежа.

Най-разпространеното приложение на фотоволтаичната технология е проектирането наавтономни фотоволтаични системи, т.е. на инсталации, захранващи определениконсуматори, без да се свързват с големи електроцентрали, от които да черпятнеобходимата допълнителна електрическа енергия или да изпращат остатъчната.Допълнителната необходима енергия се взема от акумулатор, а остатъчната се отвеждакъм земята, допълнителни акумулаторни устройства или към електрически резистори.На Фиг.66 е показана блокова схема на автономна комбинирана фотоволтаична система.

Фиг.66

От своя страна автономните слънчеви системи се делят на:

постоянно токови;променливо токови;смесени (комбинирани).

Постоянно токовите са следните:

директните постоянно токови системи;системи поддържащи константно напрежение;саморегулираща се система;регулирана система.

Директните постоянно токови системи. Те са най-простата фотоволтаична система, и сесъстои от модул, който е свързан директно към товара. Ако се използва панел с повечеот един модул се използва байпасен диод. Приложението на тази система е само затовари използващи енергия през идеалната за този вид система част от деня. Напримерпомпа за напояване или за зареждане на водохранилище, захранване на вентилатор, илипомпа за воден колектор. Но осветители или други товари, които рядко се използватпрез деня, може би никога няма да се захранят от този вид система. Друг недостатък, ече товара трябва да използва постоянен ток. Такава система показана на Фиг.67


50 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.67 Фиг.68

Системите поддържащи константно напрежение използват специални регулатори.Повече информация за тях има в [12]. Този регулатор постоянно следи работата насистемата и прави електри-чески промени, така че да се поддържа до колкото евъзможно максимална изходна мощност. Такава система е дадена на Фиг.68.Само-регулиращата се система се използва когато към системата е добавена

акумулаторна батерия. При използване на акумулатор се налага нещо да следи ипредпазва батерията от повреда от презареждане. Най-простия метод да се постигне

това е чрез използване на саморегулиращи се модули. Тези фотоволтаици саконструирани така,че тяхното изходно напрежение е прекалено ниско за да презаредибатерията до повреда. Тук е нужно внимателно оразмеряване на компонентите. Но всепак товара тук е постоянно токов. Ако е използвана подходяща система от батерии и

ако товара е постоянен, то тази система може да бъде много надеждна. Поради това, чеенергията се запасява в акумулатора, може да се използва за захранване на лампи идруги товари, които се използват през нощта. Тази система е показана на Фиг.69

Фиг. 69 Фиг.70

Много системи нямат саморегулираща се система, но въпреки това се нуждаят по


51 of 70 15.9.2010 г. 14:02

някакъв начин да се предпазят батериите. Затова се използва регулатор на товара, койтопредпазва батериите от претоварване. Оптималния начин който използват контролеритее да изключат батерията от панела или просто да я шунтират. Регулатора изключва частили целия товар ако нивото на енергията на батерията стане много ниско. Независимо,че допълнителния елемент усложнява системата, той осигурява надеждност и удължаваживота на батерията. Схема на регулиращата система е дадена на Фиг.70.

Променливо токовите автономни слънчеви системи са следните:

директни променливо токови системи;променливо токови системи с използване на батерии.

В някой случаи, като при дълбоководните помпи, товара трябва да бъде захранен спроменливо напрежение през деня. Тогава постоянно токовото изходно напрежение нафотоволтаичния панел се преобразува в променливо и така може да се захранипроменливотоков товар(Фиг.71). Недостатъците на инвертора, са че трябва да предпазиот високи температури и неподходящи климатични условия. Също така цената наинвер-тора е значителна и това намаля ефек-тивността на систе-мата като цяло. Но акотовара не може да работи с постоянно напрежение, това е най-доброто решение.

Фиг.71 Фиг.72

Ако променливотоковия товар изисква да се захранва през нощта, фотоволтаика неможе да захранва товара и се налага да се включат в системата акумулаторни батерии иконтролер на натоварването. Тези системи са най-употребяваните в бита. Примернатакава схема е дадена на Фиг.72

Най-добрия компромис е да се използва смесена система, като всички възможнипостояннотокови товари да бъдат захранени с постоянно напрежение, а за тези коитоняма алтернативна възможност – с променливо напрежение. Тази система позволява да


52 of 70 15.9.2010 г. 14:02

се достигне най-голяма ефективност на енергията добита от фотоволтаиците. Смесенатасистема е дадена на Фиг.73 а блоковата схема е дадена на Фиг.66.

Фиг.73

3.2.6.Приложение на фотоволтаичните системи

Фото-електричните генератори, които по принцип се отличават от конвенционалнитеелектроцентрали, поставят съвсем нови проблеми, като:

слънчевите батерии не се нуждаят от охлаждане и могат да се разположатдалеч от реки или други водохранилища, което е важно предимство заслънчевите пустинни райони;фото-електричните генератори работят при разсеяно слънчево лъчение. Етозащо те се единствените перспективни преобразуватели за получаване наслънчево електричество и за райони със сравнително голяма облачност;Проблемът за акумулирането има два различни аспекта. Ако големифото-електрични централи се обединят във енергийна мрежа, няма давъзникнат специални проблеми, тъй като приложението е подобно на товапри конвенционалните електроцентрали. Ако обаче фото-електричнитецентрали действат като независими единици, по-добре е да се предвидиакумулираща система за електроенергия вместо дублиращ генератор,захранван обикновено с гориво;При използването на слънчеви генератори на основата на евтинифотоелементи, възниква принципно нова ситуация в енергийния сектор, тъйкато използването на фотоволтаици ще бъде икономически изгодно привсякаква мощност, включително и при по-малки от порядъка на няколко ватаили киловата. Така става възможно създаването на индивидуални домашнигенератори, на малки електроцентрали засела, търговски центрове, централи за промишлени и селскостопански нужди,големи електроцентрали свързани в централната енергийна система и др.

Вариант за използването на фотоволтаичната система е даден, като покрив наеднофамилна къща на Фиг.74.Фотоволтаичните клетки са монтирани на изолационни


53 of 70 15.9.2010 г. 14:02

покривни плочи. Това намалява топлинния поток през покрива, също така инатоварването на климатичната система през горещите летни дни. Предимствата на тозиначин за използване на слънчевата енергия са: произвеждането на електрическа енергияи едновременното спестяване на тази енергия чрез добрата изолация на покрива.

Фиг.74

Тази система може да се използва и за осветяване на тунели, които са далеч отелектрическата мрежа или високо във планините, до където пренасянето наконвенционална електрическа енергия се обуславя от изключително високи разходи. НаФиг.75 е изобразен уличен осветител, който се захранва от соларен модул. Такъв видосветители могат да се използват в отдалечени райони или високопланински населениместа.

Фиг.75

Конкретен пример за изграждането на голяма слънчева инсталация свързана чрез мрежас околните села и ферми е построена в Калбари, Австралия.


54 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.74

Тази система е показана на Фиг.75. Такива системи са построени на много места вАмерика, а миналата година в Гърция е започнал проект за най-голямата фотоволтаичнасистема на света, която трябва да има краен капацитет от 50MW когато се довършипрез 2003.[9]

Слънчевите системи се използват активно напоследък в телекомуникациите. Те са многоудобни за захранване на антени и предаватели в изолирани райони, където поддръжкатана друг вид източник на електрическа енергия би било много скъпо и би изисквалоприсъствие на човек. На Фиг.76 е дадена телевизионна станция захранвана от слънчевасистема, а на Фиг.77 – телефонен предавател.

Фиг.76 Фиг.77

4. Разработване на цялостна слънчева система за топла вода и за електрическаенергия

4.1. Условия за изработване на слънчева система в за топла вода и заелектрическа енергия България

Слънчевата инсталация, която ще бъде проектирана, има за цел да бъде използвана в


55 of 70 15.9.2010 г. 14:02

България. Въпреки че електрическата енергия в нашата страна е евтина, а тази добитаот фотоволтаичната система е много по-скъпа, тя има приложение за захранване напланински хижи и обекти отдалечени много от електрическата мрежа. Аз имамнамерение да проектирам захранването на еднофамилна къща, която се намира впланината и приемам че в нея ще живее четиричленно семейство.

При изграждане на слънчевата система, за определяне на нейната ефективност запродължителен период от време, е необходимо да се вземат предвид данните засумарната слънчева радиация, която е директна дифузна, и също и облачната покривказа даден регион, където тя е изградена. Тези данни са основния определящ фактор заизбора на местоположението на слънчевите инсталации, независимо дали те са за топлавода или за добиване на електричество. Други фактори, определящи ефективността насистемите, са площта и ориентацията на възприемащата повърхност, нейнатаастрономическа ориентация и ъгъла на наклона ? спрямо хоризонта.

Както вече писах в точка 1, интензитета на слънчевата радиация, достигаща до земнатаповърхност е почти постоянна – слънчевата константа I = 1353 W/m2. Извънатмосферата, слънчевото лъчение, което пада по нормалата към повърхността на земятасе променя в следствие разстоянието Земя – Слънце и разсейване от молекулите навъздуха, водните пари и твърди частици, и намалява от атмосферното поглъщане отозон, вода и въглероден двуокис. Следователно от гледна точка оползотворяване наслънчевата енергия следва да се отчита само излъчването във вълнов диапазон ? = 0,29 ?2,5 µm. Разпределението на слънчевата енергия по територията на земната повърхност енеравномерно. Най-интензивна е слънчевата радиация в екваторялните области, анай-ниска в полярните. Освен това тя е променлива, както през денонощието, така ипрез месеците в годината. В Таб.2 са поместени данните за продължителността намаксималното слънчевото греене – от изгрев до залез, през различните месеци нагодината на територията на Република България.

Таб.2

Станция I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Общо %

Лом 64 76 115 177 224 258 206 293 223 147 58 52 2005 44

Петрохан 90 94 116 149 181 219 258 281 213 157 90 80 1894 42

Кнежа 70 91 132 194 240 282 320 308 234 166 82 59 2178 49

Павликени 68 90 133 190 226 265 308 300 234 178 87 62 2141 48

Вр. Ботев 98 105 137 141 149 168 227 243 199 170 119 92 1848 42

Дряново 81 101 135 180 228 271 309 307 237 177 99 75 2190 49

Трявна 79 97 136 168 196 243 297 292 222 160 99 75 2065 46

Русе 60 78 128 187 245 267 316 295 234 174 81 55 2120 47

Обр Чифлик 64 73 120 174 232 258 307 296 225 162 78 56 2074 46


56 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Търговище 79 99 139 182 234 283 318 302 245 176 95 72 2204 50

Кравуня 84 97 138 185 256 289 339 315 235 183 92 73 2286 51

Калиакра 80 85 124 173 235 293 338 315 241 178 94 70 2227 50

Суеорово 81 92 133 182 230 261 315 303 235 175 93 72 2172 49

Варна 84 90 120 163 219 270 317 297 222 164 91 67 2094 47

Поморие 88 95 135 183 245 281 335 319 246 184 100 71 2275 51

Бургас 58 79 120 166 231 174 327 310 233 157 78 49 2082 47

Розово 73 84 120 175 228 292 343 323 230 160 97 67 2192 47

Карнобат 74 92 140 193 246 268 329 323 252 175 95 72 2259 51

Елхово 70 97 136 185 241 268 329 328 246 175 93 65 2233 50

Казанлък 90 110 141 189 213 244 296 293 238 177 100 79 2186 49

Чирпан 80 107 144 202 232 271 322 310 249 176 98 77 2268 51

Харманли 69 99 142 195 234 262 325 320 252 168 86 59 2211 50

Кърджали 79 109 146 191 225 281 322 318 250 167 103 78 2249 51

Джебел 78 106 133 179 202 233 300 303 237 166 101 77 2115 48

Смолян 155 127 155 178 202 220 270 289 225 173 124 111 2169 48

Садово 74 96 130 192 226 258 318 308 231 160 94 70 2159 49

Пловдив 83 110 150 192 232 282 321 299 261 178 98 78 2284 51

Ивайлово 95 156 203 228 264 324 313 259 185 104 91 83 2338 52

Велинград 90 112 154 180 204 234 294 304 236 163 105 81 2157 48

Козарско 84 109 140 187 215 255 318 307 241 165 99 79 2199 49

Гоце Делчев 99 128 157 194 216 250 305 304 240 183 110 87 2271 54

Сандански 108 131 167 296 254 292 335 331 264 199 118 91 2506 56

Рила 87 110 149 183 218 245 302 293 240 186 97 72 2176 49

Николчевци 81 109 148 186 216 265 312 294 245 178 93 78 2195 49

Искови 72 94 131 174 205 236 286 264 226 162 84 63 2017 45

София-МО 62 92 122 189 204 250 29 295 223 189 82 56 2021 45

София-ХМС 63 85 126 182 198 246 298 303 231 146 68 47 1978 44

Г. Лозен 48 95 134 175 199 240 282 284 233 165 88 57 2015 45


57 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Черни връх 87 87 116 132 161 204 264 271 209 169 94 81 1866 42

Самоков 94 111 134 179 203 240 299 300 234 169 102 91 2156 43

ВръхМусала

94 110 142 140 143 170 226 248 206 180 120 103 1809 43

ВръхМургаш

94 92 122 149 186 219 276 287 223 169 96 83 1998 45

От таблицата се вижда, че продължителността на слънчевото греене е с ясно изразенгодишен ход – с минимални стойност през м. Януари, м. Февруари, м. Ноември, м.Декември, а максимални през м. Юли и м. Август. Малките различия впродължителността на слънчевото греене между най-северните и най-южните части настраната (т.е. грешката, която се допуска при приемането на средна географска шириназа България ф=42°с.ш.) не оказва съществено влияние върху режима напродължителността на слънцегреенето. Особеностите в неговото пространственоразпределение се определят преди всичко от разпределението на облачността.

4.2 Избор на местоположението на еднофамилната къща

Според Таб.2 може да се определи мястото където слънчевата радиация енай-постоянна през различните месеци на годината, и е с най-голяма процентнапродължителност през годината. Най-добрия вариант ще е постройката да се намира вобластта на Сандански или Гоце Делчев. Ако тя се намира на разстояние повече от 1кмот най-близкото място където има конвенционално електричество, то разходитенаправени за прокарване на електричество до там ще бъдат по-големи от тези заинсталирането за слънчеви системи за затопляне на вода и за добиване на електри-чество. На Фиг.78 е даден външния вид на къщата, а на Фиг.80 е даденоразположението на стаите вътре, като:

1 е детска стая;2 кабинет;3 спалня;4 всекидневна;5 кухня.


58 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг. 78

Коридора, банята и тоалетната не са отбелязани с номера, защото те се различаватлесно.На Фиг.80 също е дадено и разположението на мебелите, електроснабдяването,водопроводната мрежа и отоплението.

Къщата е проектирана да бъде с размери 10х10м, а ъгъла на наклона на покрива е 430.Височината на първия етаж приемам за 2,6м. Тъй като ширината на къщата е 10м, аъгъла на наклона на покрива 430, то следва че от най-високата точка на първия етаж, довърха на сградата ще е 9,3м. От това следва че покрива ще бъде с минимални размери10х13,7м, тъй като не са отчетени стрехите, които ще бъдат минимум 0,5м. Размеритеса дадени на Фиг.79.

Приемам че задната стена на къщата е покрита до нивото на първия етаж с почва, т.е.къщата е построена на наклон, като задната част на къщата е вкопана в замята. Товаозначава много добра толо-изолация на тази страна, но трябва да се изолира многодобре срещу влагата, а и трябва да се направи добър дренаж.


59 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.79 Фиг.80

За да бъде максимално ефективна цялата система е нужно сградата да бъде добреизолирана. За целта може да се използва нашумялата напоследък японска мазилка. Тъйкато разположението на системите ще бъде изцяло на покрива, то той ще бъде добреизолиран. Очаква се да се отоплява само обитаемия първи етаж на къщата, коетоозначава че не е нужна изолация за таванските помещения. В такъв случай ще е нужнода се изолира тавана, за да не настъпват загуби към неотоплява-ната и необи-таема частна сградата.

Във връзка с до-брото изолиране, се налага да се спомене също че е нужно да сеизползва качествена дограма.


60 of 70 15.9.2010 г. 14:02

За да няма допълнителни разходи за изграждане на слънчевите системи, смятамготвенето да се извършва с газ, която ще се доставя от най-близкото населено място.Примерно, ако газта се използва само за готвене, то една 20 l бутилка с газ ще може дасе използва приблизително 3 месеца.

Смятам отоплението да се извършва с камина с дърва, като тя ще стопля, чрезтоплообменник, топлоносител (антифриз), който ще циркулира през радиаториразположени в останалите стаи. Камината смятам да се намира в кухнята, която може дасе използва и за всекидневна. Радиаторите ще бъдат разположени под прозорците вдругите помещения, като на Фиг.81 сам показал разположението им. В кухнята не сеналага да се слага радиатор, тъй като камината отоплява стаята. Тяхното точноразположение и изчисляване на тръбопроводната системата трябва да бъде направеноот специалист в тази област.

Фиг.81

4.3 Проектиране на инсталацията за топла вода

Изходните данни и параметри, необходими за изчисляване на слънчева инсталация са:

Брой на живущите в сградата със слънчево топлоснабдяване;1.Средният разход на топла вода от един човек за денонощие – приемам средно 1001, какъвто е максимума в момента в България;

2.

Минимално и максимално допустимата температура на топлата вода;3.Средната температура на студената вода в захранваща системата;4.Вид и характеристики (параметри) на слънчевите колектори, доказани притиповите изпитания на различните производствени модификаци;

5.

Вместимост на основния акумулиращ резервоар (препоръчително 50-100 1 наживущ в сградата);

6.

Ориентация и ъгъл на наклона на колекторите към хоризонта, а така същохарактеристиките на слънчевата радиация за определения географски регион и

7.


61 of 70 15.9.2010 г. 14:02

местоположението на сградата.

Идеята на проектирането на слънчевата инсталация е за фамилна къща с четири члена.Следователно приемам, че дневната консумация на топла вода ще е 400 1 на ден.Минимално допустимата температура е 450С, а максималната температура 600С.Температурата на студената вода се очаква да бъде 120С. Ще разгледам два различнитипа слънчеви колектора, като ще избера този с по-добрите параметри, като от основнозначение е и цената.

Слънчев колектор ECOSTAR/ЕUROSTAR

Макар че наглед в него няма нещо принципно различно от който и да било подобенколектор, този се смята за представител на новото поколение високоефективниприбори. Рамката на колектора е излята от здрав и плътен алуминиев профил.Защитното стъкло е много добре уплътнено към нея, като е залепено по технология,заимствана от космическата техника. То също не е съвсем обикновено. Освен че еизключително здраво и устойчиво на удари, повърхността му е така обработена, че дане отразява, а в максимална степен да пропуска слънчевите лъчи. То е устойчиво и наултравиолетовото лъчение, както и на високи температури, които през горещите летнидни могат да надхвърлят 1000С. Топлоносителят протича през серпентина от меднитръби, плътно припоени към листовия абсорбер. Неговата задача е да улови цялотопреминало през стъклото лъчение и да го предаде с колкото е възможно по-минималнизагуби на серпентината. Тук се крие следващият иновационен секрет – върху абсорберае нанесено специално черно на цвят покритие, получено чрез технологията TINOX –покритие, нанесено върху медния лист и получено чрез изпарение във вакуум на титан-нитрид-оксид. То притежава максимална абсорбционна способност, като поглъща 95%от лъчистата енергия и излъчва обратно не повече от 5% от нея. Отличнатапоглъщателна способност на абсорбера позволява инсталацията успешно да се използвапрез преходните и даже през зимните месеци на годината, както и при заоблаченовреме. По този показател колекторите на UFЕ Solar са значително по-ефективни,отколкото колекторите на други производители, които ползват черно хромираниабсорбери.Под абсорбера се намира дебел топлоизолационен пласт от минерална вата, който рязкоограничава топлинните загуби вследствие на топлопреминаване или излъчване. Новост еи специалната вентилационна система, която предотвратява появата на запотяване върхустъклото, срещано при други подобни системи.Размерите на слънчевия панел са 1,98 х 1,16 х 0,11 m, а брутната площ е 2,3 m2.Използваемата площ е 2,1 m2. Предвиден е за максимално работно налягане натоплоносителя 10 бара и максимална температура в покой – около 2000С.

Панелите на UFЕ Solar се предлагат с десет годишна гаранция от производителя.Те се монтират лесно на покрива на сградата, на фасадата или върху подходящоразположена спрямо слънцето тераса.[7]

Слънчев колектор VACCUSTAR CPC

Това е една от последните новости. Той има значително по-висок коефициент наполезно действие в сравнение с модела ECOSTAR. Това се дължи основно на две


62 of 70 15.9.2010 г. 14:02

технологични новости: силно намалени топлинни загуби поради прилагане на вакуум занамаляване на топлопреминаването и използването на специални (CPC – CompoundParabolic Concentrator) огледала. Всичко това прави работата на панела ефективна и прилошо време – през преходните и даже през зимните месеци, когато слънчевите лъчипадат под малък ъгъл върху земната повърхност. Слънчевият колектор се състои от 14или 21 тръби. Всяка от тях представлява U-образна стъклена тръба, през която течетоплоносителят, поставена в друга стъклена тръба. Единият край на външната тръба езатворен, а другият е споен чрез разтопяване около двете вътрешни тръби.Пространството между U-образната и външната тръби е вакуумирано. С две думи, всеки така направен тръбен елемент на практика представлява добрепознатият домакински термос.За ефективно поглъщане на слънчевата радиация върху външната повърхност навътрешната тръба е нанесено специално абсорбиращо покритие. То е сигурно защитено,защото се намира в среда на вакуум.За най-пълното „улавяне“ и на най-слабите слънчеви лъчи, попаднали поднеблагоприятно малък ъгъл, под тръбите са разположени специално оразмерениогледала, така че да отразяват и концентрират върху тръбите попадналите върху имлъчи. Този вид колектори имат използваема площ съответно 2,2 и 3,3 m2.От броя на колекторите зависи количеството топла вода, което инсталацията може дапроизведе. Като изходна точка може да се приеме, че за покриване нуждите на единчовек (средно 100 l вода с температура 550С на денонощие) е необходима около 2,4 – 3m2 площ при колектор ECOSTAR. За колекторите VACCUSTAR CPC тази площ сенамалява с 30%.

За оразмеряване на бойлера може да се приеме нормата 100 l на човек, която гарантираналичието на достатъчно количество топла вода.При добре оразмерена инсталация и през слънчевите дни на зимата колектори с общаплощ 10 m2 ще бъдат в състояние да осигуряват около 400 l вода с температура450С.[7]

Начинът за монтиране на панелите силно зависи от покривната конструкция на сградатаи от нейното изложение спрямо географските посоки. Идеалното разположение наслънчевия колектор е южното, като при необходимост се допуска (без същественонамаляване на топлинната мощност), отклонение до 30о встрани от пълния юг. Колкотодо наклона на самия колектор той може да варира в доста широки граници – 20-600.Наклонът се избира в зависимост от това, кога се цели постигане на максималнатоплинна ефективност – през лятото или през преходните месеци на годината. Примонтиране върху покрива на сградата са възможни два варианта. При първияколекторите се вграждат в покривната обшивка между ребрата, които я носят.Съответно на това към колектор производителят предлага и система за лесното му исигурно закрепване. Тя съдържа и необходимите средства за уплътняване на пролукатамежду колектора и покривното покритие, най-често керемиди.

Другият вариант е колекторите да се монтират на метални стойки над покривнотопокритие. В този случай целостта на покрива почти не се нарушава и се налагахидроизолирането само на местата на преминаване на стойките през покритието.


63 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Предимство на този начин на монтиране е също така и възможността колекторът да семонтира под наклон, различаващ се от общия наклон на покрива.При необходимост колекторите може да се монтират и на фасадата на сградата, аотлични възможности за това предоставя наличието на плосък покрив, включително ина някоя стопанска сграда, гараж и др.

След посочените характеристики, в следствие на по-добрата изходна енергия наслънчевия колектор VACCUSTAR CPC, избирам 3 модула с площ 3,3м2, следователнообща площ 9,9м2. Всеки модул е с размери 2,35х1,41м. Предпочитам тези слънчевиколектори, пред българските КВТ, тъй като произвежданите в България колектори са снизка ефективност и ще са нужни около 20 – 25 м2, за да може да загрява вода и преззимата. Според опитите правени от фирмата тази брой слънчеви колектори ще успее дазагрява през слънчевите зимни дни 400 1 вода до 450С. Във всички случаи ще имадопълнителен източник на топлина, който ще работи с електрическа енергия.

Избора ми за бойлер се спира на бойлер с топлообменник EUROHEAT E. Това е многодобре топлоизолиран метален съд в чиято вътрешност има тръбен змиевик, през койтопротича нагретият от слънчевия панел топлоносител. Тук той отдава топлината си начистата питейна вода и я загрява. Предвидена е възможността за регулиране наколичеството студена вода, което да се затопля. Бойлерът има сигурна защита срещукорозия чрез двукратно емайлиране и вградена анодна защита срещу електрокорозия.Издържа налягане от 10 бара и производителят му дава гаранция 5 години.Произвеждат се и бойлери от неръждаема стомана, които на практика са вечни. Вбойлера има серпентина за свързване с нагревателния котел, когато слънчевата енергиявече не е достатъчна за задоволяване на потребностите от топла вода за битови цели илиотопление. Избирам бойлер с топлообменник EUROHEAT E с вместимост 400 1.

Тъй като тази система се нуждае от помпи, за да се спести енергия от тях, слагамелектронен регулатор UFE SOLAR-Control C

Електронният регулатор следи температурата в определени точки от системата и яуправлява според предварително зададен автоматичен режим. Най-общо казано тойследи температурната разлика между водата на изхода на колектора и водата в бойлерана височината на серпентината. При възникване на разлика 5-80С помпата се включва, апри разлика от 2-30С – тя се изключва. Този регулатор намира приложение предимнопрез летните месеци, или в дните с много слънцегреене.

4.4 Проектиране на инсталацията за получаване на

електрическа енергия

Консумацията на електрическа енергия за нормалния живот на едно семейство е даденна Таб.3. Там е дадена и консумацията на енергия за различните дни в седмицата, и презразлични часове на деня. Например уредите с по-голям разход на енергия, като пералня,ютия и прахосмукачка трябва да се използват по време на максимална слънчеварадиация, т.е. по обяд. Пералнята ще използва вода затоплена от слънчевия колектор,така че няма да се използва пълната мощност на нагревателите.


64 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Таб.3

Уред Часовазона наизползване

Пон.

kWh

Втор.

kWh

Сряда

kWh

Четв.

kWh

Пет.

kWh

Съб.

kWh

Нед.

kWh

Лампи18? 23 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

Хладилник0? 24 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82

Телевизор 17? 23 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2

Пералня12? 13 - - 0,79 - - - 0,79

Прахосук.12? 1215 0,4 - - 0,4 - - -

Ютия1230? 13

0,5 - - 0,5 - -

Радио8? 17 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2

Помпи8? 18 1 1 1 1 1 1 1

Доп.източ.на топл. 18? 1830 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

0бщо 3,62 3,72 4 3,62 3,72 3,22 4

Осветлението в сградата ще се изпълнява от 12 енергоспестяващи лампи по 25W, и 5настолни с мощност на всяка една 15W. Максималната възможна мощност е 375W, но внай-натоварения момент, когато се осветява кухнята, детската, кабинета (в кабинета биследвало да се използва настолната лампа) се очаква консумацията да не е повече от0,1kWh, т.е. за 5 часа e 0,5kWh.

Хладилника който сам избрал Zanussi, тип ZC202R, консумация 0,82 kWh/24h, общбрутен обем 205 л., обем на камерата 20 л.

Телевизора е Sony, тип КV-29FH30, с мощност 36 W. За 6 часа консумацията му ще е0,2 kWh.

Пералнята е Electrolux, тип ELX 1170, с консумация 0,79 kWh, разход на вода 45 л.,1100 об./мин. И капацитет 3,5 кг. пране. Консумацията 0,79 kWh е с нагревателите, нотака е дадено от производителите.[15] Тя ще се използва в часовете с най-голямолъчение, т.е. когато се достига пиковата мощност.


65 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Прахосмукачката е Elite, тип EVC-2007, мощност 1200 W, смукателна мощност 350 W.Тя също се използва в обедните часове.

Ютията е Tefal, тип парна Supergliss 10, с мощност 1400 W. Тя също се използва вчасовете с най-голямо преобразуване на слънчевата енергия в електрическа.

Радиото е Universum, тип CRT 1191U, с часовник, будилник и еднокасетачен касетофон.Мощността на радиото е 8 W, а с касетофона 12 W. Целодневната му консумация непревишава 150Wh.

Помпите които са нужни са за слънчевия колектор – 2бр. и една за парното. Те са смаксимална мощност 50 W, като само тази за парното ще работи постоянно, но самопрез студените месеци. Електронния регулатор UFE SOLAR-Control C намаля доминимум разхода на енергия на помпите за слънчевия колектор. Общия разход наенергия за трите помпи е не повече от 1 kWh.

Стойностите в Таб. са дадени за дните в седмицата в месеците с най-голяма консумация,през зимата. За да не се налага да се монтира допълнителен източник на електрическаенергия – газов генератор, вятърна централа или др., трябва да се проектира систематаза тези най-неблагоприятни месеци. Това обаче означава преоразмеряване на систематаза работата и през лятото. Затова ще направя проектирането на системата за пролетно-есенния сезон, като ще се добави уред, който показва какво количество запасенаенергия има в батериите. Чрез този метод, живущите в къщата могат да преценят кой отуредите не им е нужен в момента и да спестят енергия, като не го използват. Примерноможе една – две седмици да не се използва прахосмукачката, да се пере на ръка или дасе глади само най-необходимото.

Според данните дадени в Таб. общата консумация на седмица е 25,9 kWh. Единственатаразлика между зимната и лятната консумация е допълнителния източник на топлина задозагряване на водата в бойлера и помпата за парното. Това намаля консумацията презлятото с около 4kWh на седмица. Тогава дневната консумация, която е най-много всряда (4kWh), ще се намали до 3,4kWh. За да се направят изчисленията за пролетта иесента ще взема средната стойност от консумацията през лятото и зимата. Тя е 3,7kWh.

Средната дневна радиация през зимните месеци е 3,2kWh, през есента 4,5kWh, а презлятото стига до 6,2kWh.[23] Както вече писах ще смятам слънчевата система за есенно-пролетния сезон.

Коефициента на температурната корекция - Ктк е 0,82 за октомври. Този коефициент сесмята защото в температурата на слънчевите клетки е с 250С по-висока от среднататемпература за деня или сезона. В следствие на високата температура к.п.д. насистемата намаля.

Друг коефициент който е важен за изчисляването на системата е коефициента назамърсяване от прах - Кз. При условие, че панелите се почистват редовно Кз = 0,9 ? 0,95.

Пиковата мощност на системата Рmax (kWp) се определя по формулата:


66 of 70 15.9.2010 г. 14:02

където: Е – средната мощност изисквана от консуматорите през деня [kWh/d];

Isl - e излъчването на 1 слънце [kW/m2];

P – плътността на слънчевата радиация на квадратен метър.

Пиковата мощност за есента е:

За надеждността на системата ще се използват регулатор на мощността с к.п.д. 90%, заакумулаторите к.п.д. е 90%, инвертора, заедно с трансформатора е с к.п.д. 90%.Загубите в проводниците са пренебрежимо малки. Следователно общия к.п.д насистемата е h =0,9х0,9х0,9=0,73%. От тук следва че най-малката пикова мощност наслънчевия генератор трябва да бъде:

Използваните модули са PWX 200 имат Рмmax = 20,6 W при температура на клетките450С и Рmax = 22 W при 250С и напрежение U = 12 V. Следователно необходимия броймодули за изграждането на генератора е:

Размерите на модулите PWX 200 са 0,75х0,39х0,06м. Следователно активната площ намодула е 0,29м2. Приемам, че ще използвам 70бр., което означава че общата площ еS=0,29х70=20,3m2.

Тъй като напрежението на регулатора и на акумулаторните батерии е 12 волта, томодулите ще бъдат свързани паралелно.

Акумулаторите които ще използвам са Photowatt. Te са с дълбочина на зареждане b =50% и к.п.д h =90%. Те трябва да акумулират електрическа енергия за 4-5последователни дни. Тази енергия е:

Е = 5 х 3700 Wh = 18500 Wh

Номиналния капацитет на акумулатора трябва да е:


67 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Избирам акумулатор Photowatt с капацитет 3200Ah, като живота му е 3500 цикъла придълбочина на зареждане 15% и 2000 цикъла при 50%. Това означава, че броя на днитекоито ще издържи акумулатора на пълно натоварване, без заеждане е:

Броя дни които ще поддържа електрическата енергия този акумулатор е напълнозадоволителен, така че избирам този батерия. Мощността която тя може да даде за тозиинтервал от време е:

Както се вижда батерията е способна да дава на ден 4,1kW, което е напълно достатъчнодаже и през зимата, когато по цели дни няма слънце.

На Фиг.82 е дадено разпределението на слънчевите батерии и слънчевите колектори. Теса подредени по този начин за да има възможност за почистване от сняг и отмиване отпрах. То може да стане като човек вързан с въже за горната част на покрива се движимежду модулите. При нужда могат да се изградят подпори за удобно стъпване.Разс-тоянието между отделните елементи е достатъчни за да може човек да стъпнеспокойно. Навсякъде между фотоволтаиците то е 0,5 м, а между слънчевите колектори е1,7м.

Както се вижда от Фиг.83 на последния етаж на сградата се получава помещение сразмери подходящи за поставянето на бойлера и акумулаторната батерия. Там ще имадостатъчно място за монтирането на всички предпазни и защитни елементи, както и натрансформаторматора и електрическото табло


68 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Фиг.82 Фиг.83

Резултатите от техническото проектиране и избора не елементите са дадени в Таб.4

Таб.4

Характеристики Тип Стойност

слънчевия колекторVACCUSTAR CPC

3 бр.

Бойлер

с топлообменник

EUROHEAT E 1бр. 400 1.

Помпи

2бр.

електронен регулатор UFE SOLAR-Control C 1бр.

Слънчеви модули PWX 200 0,75х0,39х0,06м,

U=12V, Pmax=22W

Брой на модулите

70бр.

Акумулатор Photowatt С=3200Ah, 1бр.


69 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Регулатор PWR 500 1бр.

ИЗВОДИ5.

В дипломната работа бяха разгледани методите за преобразуване на слънчеватаенергия. Като първи етап в това бяха описани слънчевите инсталации за добиванена топла вода и евентуално за отопление на сгради. Описани са новите видовеинсталации и колектори при които са използвани съвременни методи заизграждането им. Показани са основните видове системи за загряване на вода:директна система с естествена циркулация, директна система с принудителнациркулация и индиректна с принудителна циркулация.

В трета точка е показан принципа на действие на фотоволтаичнитепреобразуватели. Разгледани са фотоволтаичните преобразуватели и елементиизграждащи една система за добиване на електрическа енергия от слънчевотогреене.

В четвъртата точка е разработена цялостна слънчева инсталация за затопляне навода и за получаване на електрическа енергия. Това е направено за еднофамилнакъща, която е разположена в планината и е отдалечена от електрическата мрежа.

Като извод може да се каже че условията в България позволяват използването наслънчевите инсталации за затопляне на вода. В следствие на използването им сепостига икономия на енергия, а цената им не е много висока. Друг е въпросът сфотоволтаичните системи. Цената на слънчевата система за получаване наелектрическа енергия е много висока и достига до 10 – 15 цента на kWh, a животътна една такава система е 20 –25 години. Тази система е много удобна заотдалечени от електрическата мрежа консуматори, но е скъпа за другите случаи,особено при цените на електрическата енергия в България.


70 of 70 15.9.2010 г. 14:02

Дипломна работа - слънчева енергия

Documents