Использование солнечной электроэнергии на судах

Введение

Из всех отраслей народного хозяйства энергетика оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. Энергообеспечение – это основа нормального функционирования любого производства, а следовательно, и всей человеческой цивилизации.
По прогнозам экспертов, к 2025 году энергии потребуется почти в три раза больше, чем в настоящее время.
Кризис 70-х годов ХХ века стал первым вестником энергетического кризиса, вызвавшим повышенный интерес к альтернативным возобновляемым источникам энергии. Под возобновляемыми источниками энергии понимают энергоресурсы, обусловленные постоянно протекающими природными процессами на планете. Их характерной особенностью является неисчерпаемость или способность быстро восстанавливаться.
В соответствии с резолюцией 33/148 (1978 г.) Генеральной Ассамблеи ООН введено понятие «новые и возобновляемые источники энергии», куда включены солнечная, геотермальная, ветровая, энергия морских волн, приливов океана, энергия биомассы древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников, гидроэнергия [1].
Стоит заметить, что доля участия возобновляемых источников энергии в общем объеме производства энергии постепенно растет. Этому способствует не только неисчерпаемость их ресурсов, но и отсутствие выбросов вредных веществ в окружающую среду.
К причинам, сдерживающим рост использования возобновляемых источников, следует отнести: капиталоемкость; относительно низкую энергетическую плотность и зависимость от природных факторов. При этом в зависимости от различных факторов энергоресурс может снижаться вплоть до его полного отсутствия.
По данным Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов, количество вредных выбросов с каждым годом должно снижаться, что заставляет производителей рассматривать альтернативные источники энергии. Наиболее жесткие требования предъявляются к Балтийскому и Северному мо-рям, прибрежным водам США и Канады, Карибскому и Средиземному морям, побережью Японии, что приводит к необходимости проведения оценки возможности применения возобновляемых источников энергии на объектах морского транспорта [2].
В данной работе выполнен обзор наиболее значимых проектов использования на судах таких возобновляемых источников солнечной энергии.
Доля таких источников энергии в ее общем производстве постоянно растет, по данным [3], в 2017 г. она уже достигала 7%.

1 Разновидности современных солнечных панелей

В основе солнечной энергетики лежит фотоэффект – испускание электронов веществом под действием света. Особый вклад в изучение фотоэффекта внес сам Альберт Эйнштейн, который именно за эту работу получил Нобелевскую премию в 1921 году.
Известны два способа преобразования солнечной энергии: световой и тепловой. В основе принципа работы солнечной тепловой энергии лежит использование её для нагрева вещества через тепловые коллекторы, а в основе световой энергии - преобразование энергии света непосредственно в электрический ток [6].
На объектах морского транспорта используется исключительно фотоэлектрический способ с применением следующих типов батарей: монокристаллические с КПД 15-22%; поликристаллические с КПД 12-17%; аморфные с КПД 8-12%.
Различие между разными типами солнечных элементов (СЭ) в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Самая главная характеристика солнечных панелей – это их КПД, это значение рассчитывается путем деления мощности выработанной электрической энергии на мощность солнечного света, падающего на панель.
На сегодняшний день среднее значение КПД солнечных панелей составляет 12-25%, такое низкое значение получено из-за характеристик основного элемента, используемого в производстве СЭ – кремния. Один из главных недостатков этого вещества – способность поглощать только инфракрасное излучение, то есть энергия ультрафиолетовых лучей тратится впустую.
Как раз исходя из этого недостатка ведется развитие СЭ, путем использования многослойной конструкции, где каждый слой рассчитан на кванты разной энергии.
Все солнечные панели делятся по качеству исполнения на четыре категории [13]:
Grade A, солнечные панели самого высокого качества, с высоким КПД и без микротрещин, сколов;
Grade B, эти фотопреобразователи практически не отличаются от первого типа, однако у них меньший срок эксплуатации;
Grade C, в данной категории у СЭ наблюдается наличие сколов и микротрещин, но эти минусы перекрывает низкая стоимость.
Grade D, самые некачественные СЭ с видимыми дефектами, применять их не рекомендуют.
Вторыми по важности характеристиками солнечных панелей являются максимальные мощность и напряжение системы и самого фотоэлемента, а также ток при максимальной мощности. Отдельное внимание стоит уделить температурным коэффициентам, под палящим солнцем фотоэлементы нагреваются и происходит потеря части мощности.
В зависимости от типа СЭ и качества исполнения, солнечные панели разделяют по сроку службы и степени деградации. Степень деградации LID задается в процентах и определяет ежегодное снижение максимальной мощности от изначального значения. Чем хуже по качеству СЭ, тем выше степень деградации.
На данный момент самой актуальной проблемой является обеспечение минимальных потерь при преобразовании энергии, однако, с каждым годом фотоэлектрические системы (ФЭС) становятся дешевле и эффективнее

.
Передача электроэнергии с ФЭС на накопительные элементы осуществляется за счет контроллеров, которые программируются таким образом, чтобы передачей энергии была наиболее эффективной.
На рис. 1 представлена наглядная структурная схема электрической части солнцемобиля, полная версия электрической схемы проекта Polytech Solar представлена в приложении А.

Рис. 1. Электрическая часть преобразования энергии солнца

Контроллер – устройство, которое исходя из своего программного кода осуществляет контроль за процессами, происходящими в системе. Рассмотрим структурную схему фотоэлектрической системы (рис. 2).


Рис. 2. Структурная схема фотоэлектрической системы

Структурная схема состоит из фотопреобразователя (ФП), устройства управления (УУ), преобразователя тока (ПТ), а также аккумуляторных батарей (АКБ). Постоянный ток, получаемый от фотопреобразователя – солнечных панелей поступает в устройство управления – контроллер, где он преобразуется в форму, необходимую для заряда аккумуляторных батарей и дальнейшего использования потребителем. Устройство управления измеряет силу тока и напряжения на ФП, уровень заряда АКБ, далее, исходя из этих данных УУ регулирует передачу энергии от ФП к АКБ посредством выбора напряжения и силы тока, которые будут поданы на АКБ. Роль устройства управления в данной системе очень важна и заключается в наиболее эффективном использовании энергии ФП и регулировании параметров напряжения и тока, которые поступают на АКБ, от которым происходит потребление электроэнергии нагрузкой.
Основным потребителем электроэнергии является двигатель. Солнечные лучи поступают на панели, после чего происходит протекание тока и напряжения через контроллер, который исходя из своего программного кода и алгоритма регулирует эти два параметра и максимально эффективно заряжает батареи, после чего происходит распределение мощности батарей между электроникой самого электропривода. В сложных экспериментальных моделях двигатель тоже имеет свой контроллер, который регулирует все процессы внутри него, считывая данные с датчиков и выводя их на визуальную панель.

2 Типы преобразователей и аккумуляторов, используемых на судах

Полупроводники представляют собой класс кристаллических материалов, не относящихся ни к проводникам, ни к изоляторам. Удельное сопротивление полупроводников лежит в диапазоне от 10−3 до 109 Ом ∙ см, что больше удельного сопротивления металлов (менее 10−4 Ом ∙ см) и меньше удельного сопротивления изоляторов (свыше 109 Ом ∙ см).
Полупроводники, используемые для изготовления солнечных элементов, лежит в диапазоне от 10−3 до 102 Ом ∙ см [12].
Полупроводники бывают р- и n- типа. Рассмотрим самый распространенный полупроводниковый материал солнечных элементов – кремний, который подвергают тщательной очистке до высокой степени чистоты.
В СЭ имеется два типа контактов и два слоя кремния разной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие. Рассмотрим структуру солнечного элемента (рис. 3).

Рис. 3. Структура солнечного элемента, где: 1 – Свет(фотоны);
2 – Лицевой контакт; 3 – Отрицательный слой; 4 – Переходной слов;
5 – Положительный слой; 6 – Задний контакт.

Рассмотрим генерирование электрического тока солнечным элементом
(элемент дан в разрезе) на рис. 3.
Фотоны света A и B образовали электронно-дырочные пары aa’ и bb’. Из p- и n-разделов полупроводников выбивается электрон с и дырка c’, движущиеся к контактам солнечного элемента, после чего электроны d, e, f, g перемещаются во внешней цепи, образуя электрический ток. Электроны притягиваются n-областью, а дырки p-областью.
Структура солнечного элемента играет роль помпы, как бы перекачивающей электроны в n-область через внешнюю нагрузку и обратно к контакту с p-областью. Для исследования процессов преобразования света в электрическую энергию необходимо знать основные параметры, для этого нужно рассмотреть эквивалентную схему солнечного элемента [17].


Рис. 4. Генерирование электрического тока солнечным элементом

Общая структура солнечного элемента представлена на рис. 5.

Рис. 5. Общая структура солнечного элемента.

Когда фотон, который несет в себе энергию солнечного излучения, достигает pn перехода, образуется электронно-дырочная пара. Носители заряда (электрон и «дырка») разделяются на переходе и двигаются к отрицательному и положительному электроду соответственно, вырабатывая тем самым постоянный электрический ток. Однако необходимо понимать, что процесс образования электронно-дырочной пары – обратимый, то есть в полупроводниках происходит ее рекомбинация. Процесс рекомбинации является основным, но не единственным, фактором, ограничивающим эффективность прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую.
Эквивалентная схема солнечного элемента, как источника электропитания приведена на рис. 6.

Рис. 6. Эквивалентная схема солнечной батареи и нагрузки

Для реального солнечного элемента характерно наличие последовательного сопротивления контактных слоев 𝑅п