Некоторые особенности развития солнечной энергетики в нашей стране
О том, что солнце является источником энергии для нашей планеты, знают даже ученики начальной школы. Но о том, что эта энергия используется не в полной мере, думают далеко не все. Между тем, энергии солнца может вполне хватить для того, чтобы полностью отказаться от использования природных ресурсов для удовлетворения потребностей человечества в электрической и тепловой энергии.
Скептики могут возразить, что на нашей планете немало мест, где солнце не появляется на небосводе по шесть месяцев в году, и будут абсолютно правы. Но это не повод отказываться от развития альтернативной энергетики: в этой местности вполне можно получать и электричество и тепло, используя ветрогенераторы.
Действительно, альтернативная энергетика в последние годы развивается стремительными темпами. Если 10-15 лет назад граждане нашей страны могли лишь восхищаться рациональной политикой в области энергетики ряда правительств иностранных государств, при этом, не задумываясь о том, как обстоят дела с получением электрической энергии в нашей стране, то сегодня положение изменилось.
Наблюдающийся в последние годы постоянный рост цен на энергоносители заставляет задуматься о перспективах использования альтернативной энергетики всех без исключения. Но одно дело просто «задуматься», а другое, перейти к конкретным действиям и установить в своем доме, например, солнечные батареи.
Справедливости ради отметим, что в большинстве случаев в нашей стране владельцы собственных домов решаются на освоение альтернативных способов получения электричества не потому, что беспокоятся о состоянии экологии и истощении природных запасов энергоносителей, а от безысходности.
В подавляющем большинстве случаев необходимо сделать выбор между получением электричества собственными силами и его полным отсутствием. Дело в том, что индивидуальное строительство в нашей стране намного опережает темпы электрификации. В итоге тысячи собственников земельных участков не имеют никакой надежды в ближайшем будущем увидеть подвода к ним линий электропередач.
Остается одно: выбрать способ получения электричества и приступить к делу. Увы, зачастую предпочтение отдается дизельным и газовым электрогенераторам. При этом себестоимость получаемой электрической энергии столь высока, что расходовать ее приходится лишь в самых экстренных случаях, ограничивая себя буквально во всем.
Происходит это лишь потому, что большинство наших сограждан не готовы сделать первый шаг самостоятельно, но с удовольствием повторили бы опыт своих соседей, рискнувших первыми приобрести и установить солнечные батареи в своем доме. По этой причине в поселках, где хотя бы один человек установил на крыше своего дома хотя бы один солнечный модуль, автономные электрические сети начинают расти «как грибы после дождя».
Действительно, возможность получать электрическую энергию самостоятельно, не зависеть при этом от произвола работников электрических сетей, позволяет почувствовать себя счастливым человеком, умеющем позаботиться о себе и своей семье.
Процесс получения электричества собственными силами намного увлекательнее, чем это может показаться на первый взгляд. Неудивительно, что после первого модуля приобретается второй, появляется интерес к выбору и покупке оборудования для автоматического регулирования процесса, приходит опыт, а вместе с ним и понимание особенностей работы автономной электрической сети.
Вернее, обладатель собственной электрической станции понимает, что его система могла бы работать намного лучше и эффективнее, если бы у него была возможность погожим солнечным днем сделать запас энергии, а расходовать его лишь в случае необходимости, например, при затяжных дождях или зимой, когда потребности в электричество возрастают.
При этом запас энергии может потребоваться и на тот случай, если в сети возникает пик потребления электроэнергии, например, при одновременном включении в сеть нескольких приборов, потребляющих большой ток в момент пуска.
Суперконденсатор в автономной электрической сети
В этом случае в автономной электрической сети есть смысл использовать суперконденсаторы, как один из видов альтернативных аккумуляторов.
Речь идет об импульсных электрических устройствах, в которых получение энергии обусловлено ходом химических процессов. Их отличительная особенность состоит в высокой удельной мощности, варьирующейся от 2 до 10 кВт/кг, при невысокой энергоемкости.
Начнем с ионистора
Ионистором называется конденсатор, накапливающий заряд в двойном электрическом слое, находящемся на границе электролита и электрода. Этот процесс идет под воздействием разности потенциалов, возникающей при включении ионистора в сеть постоянного тока.
Это значит, что ионистор может быть заряжен при помощи электрического тока, получаемого от солнечной батареи.
Напомним, что обычный конденсатор представляет собой два элемента, изготовленные из металлической фольги и разделенные между собой слоем диэлектрика.
Ионистор это принципиально другое устройство, по сути, представляющее собой комбинацию обычного конденсатора с химическим аккумулятором. В нем обкладки разделены между собой слоем электролита. При этом для изготовления обкладок используется не фольга, а специально подобранные материалы, выбор, который во многом определяет свойства ионистора. В частности, для их изготовления могут использоваться токопроводящие полимеры, оксиды металлов или активированный уголь.
Применение активированного угля для изготовления обкладок ионистора считается наиболее перспективным направлением в развитии этих устройств. Это позволяет не только снизить их себестоимость, но и повысить их электрическую емкость.
Электролиты для ионисторов также используются различные. Они могут быть органическими или водными. Применение органического электролита позволяет получить высокое напряжение заряда, но при этом возникает повышенное внутренне сопротивление ионистора.
При использовании водного электролита напряжение заряда не превышает одного вольта, но и внутреннее сопротивление ионистора при этом невелико.
Одним из недостатков ионистора является появление в нем токов утечки при напряжении, превышающем 2,5 Вольта. Это приводит не только к разряду ионистора, но и может стать источником опасности при их эксплуатации.
Появление тока утечки при превышении при напряжении выше 2,5 В.
Для получения более высоких значений напряжения, необходимых для работы автономной электрической сети, ионисторы можно включить в систему последовательно. При этом общее полученное напряжение будет равно сумме значений напряжения используемых для этого устройств.
Достоинства ионисторов:
Очень высокая емкость
Низкое внутреннее сопротивление
Высокая проводимость
Быстрый разряд
Длительный срок эксплуатации
Неограниченное количество циклов разряда
Низкая стоимость
Простота зарядки
Возможность использовать устройство при любых температурах окружающей среды
Ионисторы не нуждаются в контроле хода процесса их зарядки
Ионисторы нашли свое применение в электронике. Для использования в автономных электрических сетях нужны устройства с аналогичным принципом действия, но более масштабные.
Силовые электрохимические конденсаторы
По этой причине специально для электрических систем, не имеющих стабильных технических характеристик, были разработаны силовые электрохимические конденсаторы, получившие название суперконденсаторов.
Справедливости ради отметим, что первые силовые электрохимические конденсаторы появились в шестидесятые годы прошлого столетия, когда получение новых материалов стало толчком в развитии физики и энергетики.
Они, так же, как и ионисторы, имеют двойной электрический слой, образуемый на границе раздела электролита и облаток.
При этом
суперконденсаторы имеют ряд характерных особенностей:
Обладают высокой удельной плотностью энергии. Их ресурс соизмерим с ресурсом аккумуляторов, в комплекте с которыми обычно используются суперконденсаторы
Имеют высокий КПД
Практически не имеют утечки
Не реагируют на изменение температуры
Работы по совершенствованию конденсаторов этого вида продолжаются постоянно. Например, в конце прошлого года было объявлено о разработке суперконденсатора из графена. Его технические характеристики впечатляют даже скептиков: так первые образцы имеют удельную емкость, равную почти 86 Ваттхчас/кг. При повышении температуры емкость увеличивается и при 80 градусах по Цельсию она составляет 136 Ваттхчас/кг
Как видите, суперконденсаторы по ряду показателей превосходят обычные химические аккумуляторы, что делает возможным их использование в автономных электрических системах, работающих на основе солнечных батарей, использования энергии прилива, а также ветро генераторов.
Как работает электрохимический конденсатор (ЭКХ)
При погружении металлического электрода в электролит, представляющий собой раствор его соли, возможно два варианта развития событий: переход ионов металла из кристаллической решетки в раствор и обратно.
Это в равной степени может привести как к образованию избытка ионов металла в области электрода, так и к их дефициту. Понятно, что скопление отрицательно заряженных электронов на электроде приведет к его отрицательному заряду, что неизменно вызовет скопление у его поверхности положительно заряженных катионов.
Если учесть, что ион имеет определенный размер, мешающий ему вплотную приблизиться к электроду, то нетрудно представить себе, что электроды получаются окруженными двойным облаком ионов, имеющих противоположные заряды.
Возникает необычный плоский конденсатор, расстояние, между обкладками которого равно лишь радиусу иона. Для получения электрического поля напряженностью миллион Вольт на обкладках конденсатора достаточно иметь разность потенциалов, равную одному Вольту.
Потенциал таких устройств безграничен
Запас энергии и мощность можно рассчитать по формулам
где:
С – ёмкость ЭХК в Фарадах,
U – напряжение на электродах ЭХК в Вольтах,
R – эффективное последовательное сопротивление в Омах.
Внутреннее омическое сопротивление силовых ЭХК при +25 °С, имеет порядок величины 5 — 15 мОм.
Применение электрохимических конденсаторов
Электрохимические конденсаторы накапливают энергию в момент максимальной производительности устройств, генерирующих электрическую энергию. При этом не имеет значения, идет речь о ветро генераторах или о солнечных батареях. И те и другие могут выдавать максимальное количество энергии в соответствии с собственными техническими характеристиками при наличии определенных условий внешней среды.
Например, солнечная батарея имеет максимальную производительность при определенной освещенности ее поверхности и при нагреве самой батареи всего лишь до 25 градусов Цельсия. Во время ее эксплуатации летом, в период, когда солнечные батареи работают с наибольшей отдачей, неизбежен нагрев поверхности модуля. При температуре выше 60 градусов производительность солнечной батареи начинает падать.
Основная проблема состоит в том, чтобы «поймать» время максимальной эффективности установки и накопить при этом энергию. Применение именно суперкондиционера может значительно ускорить период аккумуляции энергии, повысив тем самым не только эффективность всей системы, но и производительность батарей.
Остается только добавить, что суперконденсаторы нашли свое применение там, где наблюдается пиковая нагрузка, а также на транспорте. Их широкое внедрение позволит отказаться от введения в строй новых энергетических мощностей, задачей которых первоначально являлось удовлетворение потребностей в электричестве в определенное время суток.
С помощью ЭХК (электрохимических конденсаторов) появляется возможность делать запас энергии в период ее минимального потребления, и расходовать при увеличении спроса на нее.
Как видите, ЭХК можно смело назвать альтернативой обычным химическим аккумуляторам.
