Повышение мощности и кпд действующих солнечных электростанций при пониженном солнечном излучении

Солнечные электростанции (СЭС) относятся к сфере так называемой альтернативной или зелёной энергетики, к которой также принадлежат производство электроэнергии с помощью ветра и биомассы.

Солнце излучает световую энергию плотностью 1,4 кВт/м2. После прохождения атмосферы она снижается до 1 кВт/м2. Непосредственно у поверхности Земли в разное время года и каждых суток данная величина колеблется по случайному закону от 0 (ночью и в пасмурную погоду) до 1 кВт/м2.(в солнечную погоду).

Для оценки такого неравномерного, хаотического характера поступления исходной, а, следовательно, и производимой солнечными батареями электрической энергии, введём годовой коэффициент производства электроэнергии:

 (1)

где W_Г – фактически произведённая СЭС электроэнергия (кВт-час) за год,

P_ном – номинальная, т.е. максимально возможная мощность (кВт) СЭС;

Т=24•365=8760  – протяженность года в часах.

Для большинства СЭС значение коэффициента КG находится в пределах 0,1 – 0,25, причём, чем больше солнечных дней в году, тем больше значение этого коэффициента. Например, СЭС мощностью 550 МВт, расположенная в Калифорнии и вырабатывающая 11000 ГВт∙ч электроэнергии в год, имеет коэффициент

    (2)

С учётом перечисленных факторов удельное количество электрической энергии, производимое солнечной батареей в год с 1 м₂ площади, при КПД=20% составляет 100 – 200 кВт∙ч/м².

Для выравнивания неравномерного характера процесса производства электроэнергии в состав практически любой СЭС вводятся накопительные устройства, основным типом которых являются литиевые аккумуляторы. При повышенном солнечном излучении часть производимой солнечными батареями энергии направляется в накопительное устройство, а при снижении излучения часть накопленной энергии поступает потребителю. Благодаря такому балансированию в производстве, хранении и расходовании энергии поддерживается относительная стабильность уровня электрической энергии на выходе СЭС.

Объём энергии в мире, вырабатываемый СЭС, стремительно растёт [1–4]. В 2014 г. общая установленная мощность СЭС в мире составляла 150 ГВт. Прирост установленной мощности соответствует примерно 13% в год, достигнув в 2019 г. величины в 250 ГВт, что составляет 0,5% от общего уровня мировой электроэнергетики. Если такие темпы роста будут сохраняться, то к 2026 г. уровень установленной мощности СЭС достигнет 500 ГВт. Уже сейчас в мире действуют более 10 СЭС с установленной мощностью более 100 МВт и строится (в Саудовской Аравии) гигантская СЭС мощностью 1500 МВт [1, 4]. В некоторых странах солнечная электроэнергетика становится доминирующей, в солнечные дни доля солнечной энергии достигает 50 % потребляемой в регионе электрической энергии [3].

Остановимся на достоинствах солнечной энергетики. Первым из них является отсутствие выброса в атмосферу углекислого газа. Так, например, производство СЭС производительностью 11000 ГВт∙ч электроэнергии в год позволяет сократить выброс в атмосферу 380 тыс. т углекислого газа в год по сравнению с электростанцией той же мощности, работающей на угле [1]. Таким образом, производство 1кВт-час электроэнергии с помощью СЭЖС позволят снизить выброс в атмосферу 35 кг углекислого газа по сравнению с тепловыми электростанциями, работающими на угле и мазуте.

Второе достоинство СЭС связано с экономическими показателями: бесплатным первичным источником энергии и его бесплатной транспортированием.

К недостаткам СЭС относятся: большие участки занимаемой площади, низкий КПД солнечных батарей, не превышающий 20 %, и неравномерный, «рваный» характер производства электрической энергии в течение года и каждого дня по причине частого изменения уровня солнечного излучения на поверхности Земли.

Для выравнивания неравномерного характера процесса производства электроэнергии в состав практически любой СЭС вводятся накопительные устройства, основным типом которых являются литиевые аккумуляторы. При повышенном солнечном излучении часть производимой солнечными батареями энергии направляется в накопительное устройство, а при снижении излучения часть накопленной энергии поступает потребителю. Благодаря такому балансированию в производстве, хранении и расходовании энергии поддерживается относительная стабильность уровня электрической энергии на выходе СЭС.

Зададимся вопросом: нельзя ли некоторыми способами поднять КПД солнечных батарей без изменения их структуры. В качестве такого способа рассмотрим подключение к солнечной батарее на основе аморфного кремния (полупроводниковому p-n переходу) дополнительный источник питания, который предположительно сможет уменьшить требуемую мощность солнечного излучения, расходуемую на работу выхода электрона из вещества.

В эксперименте использовалась солнечная батарея TPS-107S(36)-15W, имеющая следующие параметры :

Размеры 35×35 см

Максимальная номинальная мощность 15 Вт

Номинальное напряжение 17В

Номинальный ток 0,88А

Напряжение холостого хода 21,5 В

Ток при коротком замыкании 0,96 А

Схема эксперимента и полученные результаты приведены автором настоящей статьи в ранее опубликованных работах [5, 6].

Основой солнечных батарей разной мощности является одна и та же кремниевая полупроводниковая пленка. Поэтому полученный результат можно отнести ко всем батареям данного типа вне зависимости от их мощности.

Здесь же кратко укажем, что повышение КПД солнечных батарей при пониженном солнечном излучении удалось увеличить на 25% путем подключения к батарее дополнительного источника энергии, активизирующего работу полупроводникового p-n перехода. Полученный результат имеет полновесное теоретическое объяснение в рамках общей теории внешнего фотоэффекта применительно к солнечным батареям.

На основании предлагаемого способа увеличения мощности солнечных батарей при пониженном солнечном излучении возможно существенное (до 25% и более) увеличение мощности действующих солнечных электростанций (СЭС), в состав которых входят устройства накопления энергии. Модернизация таких СЭС будет состоять только в установке электронного ключа (такие изделия выпускаются серийно), подключающего к солнечным батареям накопительный источник при снижении энергии излучения Солнца на поверхности Земли в два и более раз. Таким образом, действующие солнечные электростанции, особенно в районах с невысокой интенсивностью солнечного излучения, смогут на 20-30% увеличить количество вырабатываемой ими электрической энергии, а также существенно улучшить в мире экологическую обстановку в мире при замене тепловых электростанций солнечными.

На описанный метод повышения КПД, проверенный экспериментально, подана заявка на изобретение [7], находящаяся на рассмотрении в Роспатенте.