Фотоволтаици

Производството на електроенергия от слънчевата радиация е сред най-атрактивните области от съвременната енергетика. В предишния брой на списание Инженеринг ревю представихме основните технологични, конструктивни и технически специфики на фотоволтаични клетки. В статията, която публикуваме в настоящия брой, се разглеждат характеристиките и приложната област на видовете фотоволтаични системи и базовите елементи, с които те се изграждат.

Критерии за класификация на фотоволтаичните системи

Съществуващото разнообразие от конструкции фотоволтаични системи определя и големия брой критерии за тяхната класификация. Според използваните типове фотоволтаични клетки се предлагат фотоволтаици, изградени от монокристален силиций, поликристален силиций, кадмиев телурит, както и елементи, изградени като тънкослойна структура. Съществуват и други фотоволтаици, включително съвсем нови типове, които се намират в начален стадий на проучване.

Друг критерий за класификация на фотоволтаичните системи е начинът на концентриране на светлината. Според този критерий системите са два вида - използващи директна слънчева светлина (без концентриране) и системи с концентратори и отражатели. Трети критерий е ориентацията на фотоволтаичните панели. Предлагат се статични панели - с фиксирана ориентация спрямо слънцето, както и следящи системи, които позволяват ориентация по една или две оси спрямо слънцето. При следящите системи с една ос на следене обикновено се проследява движението на слънцето в рамките на деня - от изгрев до залез. От своя страна, при следящите системи с възможност за движение по две оси, панелите се позиционират сезонно, отчитайки положението на слънцето спрямо хоризонта.

Основен критерий за класификация на фотоволтаичните системи

е начинът на присъединяване на електрическия товар

На базата на този критерий фотоволтаиците се делят на автономни, хибридни и неавтономни системи (свързани с електрическата мрежа). Съществуват достатъчно основания да се каже, че в момента най-разпространени са фотоволтаични централи, изградени с елементи от монокристален и поликристален силиций, без концентратори и отражатели и без позициониране.

Концентраторите и отражателите на слънчевата светлина (системи от огледала и лещи), могат да повишат силно плътността на лъчистата енергия, съсредоточена върху единица площ от фотоволтаичната клетка. Съществуват клетки, които работят по-добре при по-висока плътност на радиацията, но за момента те са скъпи и все още са в процес на изследвания. Обикновените, масово използвани клетки прегряват при концентриране на твърде голям лъчист поток върху тях.

Позициониране на фотоволтаичните панели се използва, за да се осигури перпендикулярност между вектора на падащата светлина и равнината на фотоволтаика, като по този начин се осигури нейното максимално използване. Изградените по света фотоволтаични централи с позициониране на фотоволтаиците показват сериозен ефект в сравнение със статичните системи. Въпреки това, обаче, по ред причини - и технически и икономически, инвеститорите за момента предпочитат основно статични панели, наклонени под ъгъл, равен на географската ширина в мястото на инсталиране. Следва да се има предвид, че изборът на начин на свързване на фотоволтаиците и електрическия товар зависи от предназначението на централата. Съществува огромно разнообразие от начини и схеми на свързване на фотоволтаиците към захранвания от тях товар. Обикновено, видовете фотоволтаични системи се класифицират в две големи групи - автономни инсталации и неавтономни системи, които са свързани с електроснабдителната мрежа. Към тази класификация често се прибавя и трета група фотоволтаични системи - хибридните.

Автономни фотоволтаични инсталации

При този тип системи фотоволтаичната инсталация е единствен източник на електроенергия в приложението. Обикновено това са малки системи с инсталирана мощност до няколко десетки kWp. Основното им приложение е да осигуряват електроенергия на места, в които отсъства централно електрозахранване. Приложната област на автономните фотоволтаични системи включва различни съоръжения, които следва да работят в отдалечени от централната мрежа места, например - маломощни предаватели за телекомуникационната индустрия, отдалечени вили, хижи и др.

В някои държави с такива фотоволтаични системи се захранват светещи надписи по магистралите извън населените места, осветяват се преносими табели и временни заграждения. В някои национални паркове, от екологични съображения, автономните фотоволтаични системи са единствените източници на електроенергия в заслоните, където се използват не за осветление, а за задвижване на съоръженията за преработка на биологичните отпадъци от посетителите. Според достъпната информация, най-големият пазар на автономни източници на електроенергия в световен мащаб е в САЩ. Причината е, че 8% от населението живее на места без електрификация.

Структура на автономните системи

Блокова схема на примерна автономна фотоволтаична инсталация е показана на фиг. 1. Основни елементи на системата са фотоволтаични панели, управлявани от контролер, акумулаторна батерия и инвертор. Контролерът осигурява оптимална работа на фотоволтаичните панели, като поддържа работната им точка винаги в зоната на максимална мощност. В немалък брой приложения контролерът осигурява и оптимален режим на заряд на акумулаторната батерия. Предназначението й е да акумулира излишната енергия, генерирана от фотоволтаиците през светлата част на денонощието, и да я отдава през нощта, поддържайки непрекъснато електрозахранването на консуматорите. Известно е, че към постояннотоковите шини биха могли да се свържат директно постояннотоковите консуматори. Такива са някои видове осветители, телевизори, радиоапарати, хладилници и др.

Задачата на инвертора е да преобразува постоянното напрежение в променливо с промишлена честота, което позволява директно захранване на всички консуматори в стандартно изпълнение. Разбира се, възможно е системата да бъде ограничена само до постояннотоковата си част, без инвертор и възможност за захранване на променливотокови консуматори. Такова е изпълнението на най-маломощните инсталации, например системи, предназначени за захранване на преносимо оборудване, като светещи табели, временни осветители и др. Автономните фотоволтаични системи без инвертор напълно логично са и най-евтините. Използването на инвертор дава възможност автономната фотоволтаична инсталация да осигури енергия с показатели, идентични с тези на централното електроснабдяване. Качеството на електроенергията е на приемливо ниво, както по честота, така и по ниво. При най-маломощните инсталации, обаче, инверторите се явяват сериозно оскъпяване.

Свързани към мрежата фотоволтаични инсталации

Категорията обхваща всички слънчеви централи, предназначени за продажба на електроенергия от фотоволтаици. Инсталациите от този тип са по-сложни в техническо отношение и обикновено са с по-голяма инсталирана мощност.

Основната разлика между слънчевите системи, свързани към мрежата и автономните системи, е в инвертора. Той трябва да осигурява надеждна работа в паралел със захранващата мрежа. През светлата част на денонощието инверторът работи в генераторен режим, като позволява енергията от фотоволтаика да се отдаде в захранващата мрежа. През нощта или при недостатъчно слънцесветене инверторът преминава в изправителен режим. Той вече се явява консуматор за захранващата мрежа и осигурява захранване на постояннотоковите консуматори, както и подзаряд на акумулаторната батерия.

Когато става въпрос за електрическа централа, предназначена единствено за производство и продажба на електроенергия, акумулаторната батерия би могла да отсъства. Обикновено системата включва батерия с малък капацитет, която осигурява непрекъсваемо оперативно напрежение. При слънчевите централи товарът на постояннотоковите шини се интерпретира като собствени нужди на централата. В този случай не е необходимо инверторът да е обратим. Поставят се, обаче, много по-сериозни изисквания към качеството на променливотоковата електроенергия, която той осигурява.

Направени пазарни прогнози свидетелстват, че в бъдеще броят на фотоволтаичните системи по покривите и фасадите на сградите непрекъснато ще се увеличава. Когато консумацията е малка и има достатъчно слънчева светлина, енергията от фотоволтаиците ще се отдава в електрическата мрежа, а в часовете на върхово потребление ще се консумира енергия от мрежата. През нощта инверторът, работещ в изправителен режим, ще осигурява подзаряд на батерията. Технически проблеми, възникващи при работа на голям брой подобни маломощни разпределени генератори, в момента са обект на сериозно изследване.

Хибридни фотоволтаични исталации

В случаите, когато фотоволтаиците не са единственият локален източник на енергия, системите обикновено се наричат хибридни. На фигура 3 е показана блокова схема на система с фотоволтаици и вятърен генератор. Комбинирането на различни възобновяеми източници на електроенергия увеличава едновременно и капацитета и надеждността на инсталацията.

Системата за управление осигурява максимална мощност

Контролерите за управление на фотоволтаичните панели са важна част от фотоволтаичната система. Основното им предназначение е да поддържат работната точка на фотоволтаичните панели в зоната на максимална мощност. На фигура 4 е показана зависимостта на мощността от напрежението на фотоволтаичен панел, състоящ се от 48 силициеви клетки (две паралелно свързани групи, всяка с 24 серийно присъединени клетки). Видно е, че кривата има ясно изразен максимум. Системата за управление има за задача да поддържа напрежението на фотоволтаичния панел на стойност от около 17 V, за да се осигури максимум на генерираната мощност. В случай че напрежението нарасне над 18,5 V, панелът ще работи в режим на празен ход, т.е. големината на тока ще клони към нулата. Ако клетката се експлоатира в режим, близък до късо съединение, токът ще е голям, но напрежението малко, което на практика означава отново малка полезна мощност.

При промяна на условията на осветяване на фотоволтаичния панел, оптималната работна точка се измества. Следователно, задачата на системата за управление е да “проследява” изместването на работната точка във времето и да поддържа работата на клетката непрекъснато в оптималната зона. Описаният процес е познат и с абревиатурата МРРТ (maximum power point tracking).

За сравнение на фигури 5 и 6 са показани зависимостите на мощността от напрежението на същия фотоволтаичен панел, но при различна степен на частично затъмняване. Ясно се вижда, че точката на максимална мощност би могла да се измести значително, в зависимост от условията на работа. Също така са възможни локални максимуми в кривата. Следователно, изборът на контролер е много важен, тъй като той би следвало да поддържа възможността да открие глобалния максимум и да осигури работа на панела именно в точката на глобалния, а не на локалния максимум.

Реалните фотоволтаични системи

В реалните системи фотоволтаиците не се свързват директно към постояннотоковия товар (фиг. 7). Системата за управление използва постояннотоков преобразувател, който има за задача да преобразува постоянното напрежение на изхода на фотоволтаика до постоянно напрежение с друг волтаж - този на шините на товара.

Отношението на времето, през което транзисторът е отпушен, към периода, когато е запушен, представлява коефициент на запълване D на конвертора. Възможно е да се докаже, че с промяна на коефициента на запълване на конвертора се изменя и еквивалентното му входно съпротивление.

Алгоритми за оптимална работна точка

Както вече бе изяснено, работната точка с максимална мощност не е постоянна, а зависи от условията на работа и контролерите трябва адаптивно да изменят коефициента на запълване на преобразувателя, за да поддържат работата на системата оптимална.

Съществува голямо разнообразие от алгоритми и средства за “намиране” на оптималната работна точка. Тъй като по модифицирането и оптимизирането на алгоритмите се работи активно в момента, постоянно се публикуват нови решения. Често използваните алгоритми за определяне на оптимална работна точка могат да се класифицират в следните групи:

Методи “отклонение-наблюдение”

Характерно за този тип алгоритми е, че се практикува леко отклонение от работната точка и се наблюдава изменението на отдаваната от фотоволтаика мощност. Установяването, че мощността нараства означава, че това е правилната посока на изменение и работната точка, и отклонението продължава в същата посока. Ако отдаваната мощност се понижава след отклонението, то необходимо движение на работната точка е в другата посока. Ако при отклонение и в двете посоки, мощността се понижава, следователно текущата работна точка съвпада с максимума.

Методи, следящи “инкрементална проводимост”

При тази група алгоритми се работи на базата на определени зависимости. Известно е, че мощността на фотоволтаика, изразена чрез тока и напрежението на модула, е равна на P = UI. След диференциране по отношение на напрежението се получава dP/dU = I + U(dI/dU). В точката на максимума е изпълнено условието dP/dU = 0, откъдето следва, че за нея е в сила зависимостта I/U = - dI/dU. Ако работната точка се намира вдясно от максимума, то dP/dU < 0 и I/U < - dI/dU. Когато работната точка е вляво от максимума, са в сила зависимостите dP/dU > 0 и I/U > - dI/dU.

Контролерите, работещи по този алгоритъм, могат по-бързо да намират точката на максимална мощност при бързо променящи се атмосферни условия. Горните три отношения задават както условие за определяне на оптимум, така и посока на изменение при неговото търсене.

Методи, базирани
на наблюдение
на напрежението
и на тока

За разлика от двата предходни метода, при тях се следи напрежението на празен ход или тока на късо съединение на фотоволтаика. След това се предполага, че работната точка с максимална мощност се намира при напрежение, равно на около 0,75 от напрежението на празен ход, или при ток, равен на около 0,9 от тока на късо съединение.

Контролерите, работещи с този тип алгоритми, отделят за съвсем кратък период от време фотоволтаичния модул от останалата част на системата и го оставят на празен ход, когато трябва да се измери напрежението на празен ход или го свързват към малко по стойност, но мощно съпротивление, за да измерят тока на празен ход. Необходимостта от отделяне на фотоволтаика от системата, макар и за кратко, е недостатък на тази група методи, както и необходимостта от мощно съпротивление за измерване на тока на късо съединение, характерно при системите, измерващи ток.

В много случаи контролерите извършват измервания само върху един панел от фотоволтаичната система, като след което всички панели се управляват в получената работна точка, тъй като се предполага, че те функционират при идентични условия.

Какво спъва използването
на фотоволтаични системи у нас?

Фотоволтаичните системи в момента са напълно реална и работоспособна алтернатива на конвенционалните източници на електроенергия. Основният проблем пред широкото им въвеждане е високата им себестойност, твърдят инвеститори. “Дори при високата изкупна цена на произведената от фотоволтаици електроенергия в размер на над 0,7 лв./kWh, инвестициите във фотоволтаични инсталации се възвръщат след 8 - 10 години. За съжаление, законовата и нормативната рамка в областта на фотоволтаичните инсталации оставят много неуредени въпроси и създават условия за корупция”, коментират инвеститори. “Например в Закона за възобновяемите енергийни източници се казва, че електроразпределителните дружества определят техническите условия за присъединяване към електропреносната мрежа. Веднага би могъл да се направи априорен извод, че след като за дадено дружество е крайно неизгодно да изкупува скъпата енергия от фотоволтаици, то ще се стреми да постави трудноизпълними и неизгодни условия за собственика на слънчевата централа”, допълват те.

“Нормалната работа и интересите на НЕК и електроразпределителните дружества също не са защитени от настоящата законова уредба. Фирмите, занимаващи се с разпределение на електроенергия, вече са натрупали известен опит от присъединяване на частни централи - не само слънчеви, но и вятърни и малки ВЕЦ. Налице е нелоялност от страна на собствениците на централи - в много случаи се заявяват едни проектни мощности, а в експлоатация се пускат съвсем други, което води до ненужен разход за преоразмеряване на участъците от мрежата до тези централи. Еднотипни въпроси се уреждат от няколко различни закона и множество наредби, което затруднява проучването на нормативната база”, твърдят представители на бранша.

“Самата идея за насърчаване използването на възобновяеми енергийни източници и в частност слънчеви централи, е необмислена и в момента се реализира по начин, който води до крайно несправедливо разпределяне на цената на това насърчаване. Изграждането на собствена микро- слънчева централа изисква сериозни инвестиции и на настоящия етап би могло да се осъществи от представители на бизнеса. В същото време, високата продажна цена на енергията от фотоволтаици на практика се компенсира с повишена цена на електроенергията за населението”, коментират запознати с темата.

Няма никакво съмнение, че е необходимо да се положат сериозни усилия, за да се заменят конвенционалните енергоносители с възобновяеми енергийни източници. “В глобален аспект е възможно да възникне още едно противопоставяне, а именно между биогоривата, получавани от селскостопански култури, и слънчевите централи. И двата източника на възобновяема енергия изискват свободни площи. Разбира се, възможно е слънчевите централи да се съсредоточат върху неплодородни участъци, а биокултурите да се отглеждат на места с добри почви. В момента проблемът изглежда несъществен. Точно сега обаче е времето да се създаде държавна стратегия, която да дава решение на този и всички други въпроси, свързани с възобновяемите източници на енергия”, твърдят представители на бранша.