Классификация возобновляемых источников энергии. Способы преобразования возобновляемой энергии в тепло и электроэнергию

К нетрадиционным (возобновляемым) источникам энергии относятся: солнце, ветер, биомасса, геотермальные воды, морские приливы, гидроэнергия и другие виды, не связанные с использованием энергоносителей, имеющихся на земле в ограниченном количестве. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) иногда называют альтернативными или дополнительными. Первое название отражает возможность в будущем широкого применения некоторых видов этих источников в "большой" энергетике. Второе название характеризует ограниченное применение ВИЭ в настоящее время. Эти термины не применяют к гидроэнергии, т.к. гидроэлектростанции ( ГЭС ) широко распространены и длительное время уже применяются.

В окружающем нас пространстве всегда существуют потоки возобновляемой энергии и энергетика на ВИЭ должна ориентироваться только на них.

Потребности в энергии, как правило, не постоянны во времени. Например, максимальная потребность в электрической энергии в утренние и вечерние часы и минимальная в ночное время суток. Традиционные источники энергии могут подстраиваться под эти колебания, регулируя расход топлива или воды. При использовании ВИЭ колеблется не только спрос на энергию, но и мощность этих источников. Поэтому процесс согласования выработки и потребления электроэнергии в системе с ВИЭ представляется сложной задачей.

Все ВИЭ можно представить в трех формах:

1. Механическая энергия;

2. Тепловая и лучистая энергия;

3. Химическая энергия.

Каждый ВИЭ, в зависимости от того к какой он относится форме, обладает определенным качеством энергии. Под качеством ВИЭ следует понимать долю энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу. Например, электроэнергия обладает высоким качеством, т.к. с помощью электродвигателя более 95% ее можно превратить в механическую работу. Качество тепловой энергии, выделяющейся при сжигании топлива на тепловых станциях, довольно низкое, потому что только 30% превращается в механическую работу.

Возобновляемые источники механической энергии в целом обладают высоким качеством и используются в основном для производства электроэнергии. Качество ветровой энергии составляет 30%, гидроэнергии - 60%, волновой и приливной - 75%. Качество тепловых и лучистых ВИЭ ограничено вторым законом термодинамики и составляет не более 35%. Для ВИЭ на основе фотонных процессов практически удалось получить качество не более 15% и только на космических аппаратах этот показатель приближается к 30%.

ВИЭ и истощаемые источники энергии очень сильно различаются по начальной плотности потоков энергии. Для возобновляемых источников эта величина составляет порядка 1 кВт/м² ( например, плотность потока энергии солнечного излучения, ветра при скорости около 10 м/с ), для не возобновляемых источников она на несколько порядков выше. Например, тепловая нагрузка в трубах паровых котлов составляет порядка 100 кВт/м², а в теплообменниках ядерных реакторов несколько мегаватт на 1 м². Потребители энергии, за редким исключением, как, например, сверхмощные дуговые сталеплавильные печи, электролиз, используют гораздо меньшие плотности потоков энергии. Из-за большого различия плотностей потоков энергии на не возобновляемых источниках и ВИЭ, первые эффективны при большой единичной мощности установки, но при этом распределение энергии среди потребителей требует больших затрат, вторые же эффективнее при небольшой единичной мощности, но большие затраты требуются для повышения мощности за счёт объединения таких установок в единую энергосистему.

Рис. 1.1 Возобновляемые источники энергии и их использование. Числа обозначают мощность источника в тераваттах.

Ни один ВИЭ не является универсальным, подходящим для использования в любой ситуации. Это всегда определяется природными условиями и потребностями конкретного района в различных видах энергии. На основе такой информации можно выбрать наиболее экономичный ВИЭ.

2. Солнечные батареи. Структура солнечного элемента, принцип действия и возможности их использования. Схемы соединения солнечных батарей на 12, 24, 36 и 48 Вольт. Фотоэлектрическая генерация энергии обусловлена пространственным разделением положительных и отрицательных носителей заряда при поглощении в полупроводнике электромагнитного излучения. При наличии электрического поля эти заряды могут создавать во внешней цепи электрический ток. В местах переходов или неоднородностей материала существуют внутренние электростатические поля. Внутренние поля фотоэлементов на основе структур полупроводник-полупроводник или металл-полупроводник создают разность потенциалов около 0,5В и плотность тока порядка 200 А/м² при плотности потока солнечного излучения около 1 кВт/м². Промышленные фотоэлементы имеют КПД от 10 до 20% при средней суточной облучённости.

Устройства, преобразующие солнечную радиацию в электрический ток, называются фотоэлементами или солнечными элементами. Они сами являются источниками ЭДС. Солнечные элементы генерируют электрический ток в прямой зависимости от суточных, сезонных и случайных изменений облучённости. Эффективность преобразования солнечной энергии зависит не только от КПД фотоэлемента, но и от согласованности динамической нагрузки во внешней цепи.

Рис. 4.9. Структура солнечного элемента с p-n - переходом. ДПБ - добавочный потенциальный барьер:

1 - контакт от лицевой поверхности предыдущего элемента; 2 - противоотражательное покрытие; 3 - лицевой контакт; 4 - к тыльному контакту следующего элемента;

5 - металлический контакт с тыльной стороны

Большинство фотоэлементов представляют собой кремниевые полупроводниковые фотодиоды (рис. 4.9). Первые фотодиоды были изготовлены в 1954 году. Технология их изготовления быстро совершенствуется. В настоящее время сформировано общественное мнение, что солнечные элементы получили наибольшее распространение в космической отрасли. Однако это далеко не так и полупроводниковые солнечные элементы в ряде развитых стран широко используются в промышленности и быту.

Основная область применения солнечных батарей связывается с осветительными системами, системами водоснабжения, удалёнными станциями радиосвязи, маяками, дорожными знаками и космическими аппаратами. На рис. 4.9 показана типичная структура солнечного элемента с р-n переходом. Крышка, которая изготавливается из стекла или пластика, и фильтр между элементом и крышкой на рисунке не показаны.

Рис. 4.10. Схемы устройств типичных промышленных кремниевых солнечных элементов: элемент (а), модуль из 33 элементов (б) и батарея (в): 1 - лицевой контакт; 2 - тыльный

Батарея солнечных элементов обычно представляет собой комбинацию соединённых параллельно модулей. Каждый модуль в свою очередь является комбинацией последовательно соединённых фотоэлементов. А каждый фотоэлемент состоит из параллельно соединённых поверхностных элементов.