Автоматизация лабораторной установки "Фотоэлектрическая станция"

Автор: Пользователь скрыл имя, 01 Июня 2013 в 07:46, дипломная работа

Описание работы

В выпускной работе проведен сравнительный анализ фотоэлектрических станций (ФЭС). В работе разработано программное обеспечение информационной системы сбора и обработки сигналов ФЭС и системы управления гелиостатом. Программное обеспечение реализовано в среде графического программирования LABVIEW.

Работа содержит 1 файл

Диплом К.doc

— 4.46 Мб (Скачать)

-  Обслуживание и ремонт генератора проблематичен из-за нехватки запасных частей;

-    Генератор загрязняет окружающую среду выхлопами и создает сильный шум.

Электрическое освещение  при помощи фотоэлементов более  эффективно, чем керосиновые лампы, а установка фотоэлектрической  системы обычно стоит дешевле, чем  продление электросети. Более того, многие развивающиеся страны расположены в регионах с высоким уровнем солнечной радиации, то есть в изобилии располагают бесплатным источником энергии круглый год. Производство "солнечного электричества" просто и надежно, что доказывает опыт эксплуатации десятков тысяч фотоэлектрических систем во всем мире.

1.1 Фотопанели

Солнечные фотоэлементы являются вполне реальной технически и экономически выгодной альтернативой  ископаемому топливу в ряде применений. Солнечный элемент может напрямую превращать солнечное излучение в электричество без применения каких-либо движущихся механизмов. Благодаря этому, срок службы солнечных генераторов довольно продолжителен. Фотоэлектрические системы хорошо зарекомендовали себя с самого начала промышленного применения фотоэлементов. К примеру, фотоэлементы служат основным источником питания для спутников на околоземной орбите с 1960-х годов. В отдаленных районах фотоэлементы обслуживают автономные энергоустановки с 1970-х. В 1980-х годах производители серийных потребительских товаров начали встраивать фотоэлементы во многие устройства: от часов и калькуляторов до музыкальной аппаратуры.

В 1990-х предприятия  энергоснабжения начали применять  фотоэлементы для обеспечения мелких потребностей пользователей.

История фотоэлементов  берет начало в 1839 году, когда французский физик Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. За этим последовали дальнейшие открытия:

-  в 1883 г. электрик из Нью-Йорка Чарльз Фриттс изготовил фотоэлементы из селена, которые преобразуют свет в видимом спектре в электричество и имеют КПД 1-2%. (светочувствительные элементы для фотоаппаратов до сих пор делают из селена). В начале 50-х годов ХХ века был изобретен метод Чохральского, который применяется для выращивания кристаллического кремния;

-  в 1954 г. в лаборатории компании "Bell Telephone" синтезировали силиконовый фотоэлектрический элемент с КПД 4%, в дальнейшем эффективность достигла 11%.

- в 1958 г. небольшие (менее 1 ватта) фотоэлектрические батареи питали радиопередатчик американского космического спутника "Авангард". Вообще, космические исследования сыграли важную роль в развитии фотоэлементов. Во время нефтяного кризиса 1973-74 гг. сразу несколько стран запустили программы по использованию фотоэлементов, что привело к установке и опробованию свыше 3100 фотоэлектрических систем только в Соединенных Штатах. Многие из них до сих пор находятся в эксплуатации [2].

Типы фотоэлектрических  элементов:

- Монокристаллические кремниевые;

- Поликристаллические кремниевые;

- Тонкоплёночные.

В наше время можно найти не только фотоэлектрические панели. Разные фирмы предлагают фотоэлементы в виде легких, эластичных и прочных кровельных плит, а также ненесущих стен-перегородок для фасадных работ. Эти новинки делают фотоэлементы экономически более привлекательными при включении их в состав строительных материалов. В отдаленных районах фотоэлектрические установки являются наиболее рентабельным, надежным и долговечным источником энергии. В некоторых регионах фотоэлементы повышают конкурентоспособность систем, подключенных к электросети. Однако главное - что и в отдаленных, и в подсоединенных к электросетям местностях фотоэлектрические системы вырабатывают чистую энергию, получение которой не сопровождается загрязнением окружающей среды, в отличие от привычных электростанций.

 

Рисунок 1.4 - Фотоэлементы, встроенные в стройматериалы

В ближайшие десятилетия  значительная часть мирового населения  познакомится с фотоэлектрическими системами. Благодаря им исчезнет традиционная необходимость сооружения крупных  дорогостоящих электростанций и распределительных систем. По мере того, как стоимость фотоэлементов будет снижаться, а технология - совершенствоваться, откроется несколько потенциально огромных рынков фотоэлементов. К примеру, фотоэлементы, встроенные в стройматериалы (рис. 1.4), будут осуществлять вентиляцию и освещение домов. Потребительские товары - от ручного инструмента до автомобилей - выиграют в качестве от использования компонентов, содержащих фотоэлектрические компоненты. Коммунальные предприятия также смогут находить все новые способы применения фотоэлементов для удовлетворения потребностей населения.

Европейский Союз поставил своей целью удвоить долю возобновляемых источников энергии к 2010г. Одним  из важных компонентов является производство 1 млн. фотоэлектрических систем (500000 встроенных в крыши зданий (рис. 1.6, рис. 1.7)и экспорт 500000 сельских систем) общей установленной мощностью 1 ГВт. Фирма "BP Amoco" (один из мировых лидеров продаж нефтепродуктов) собирается использовать солнечную энергию на 200 своих новых станциях обслуживания в Британии, Австралии, Германии, Австрии, Швейцарии, Нидерландах, Японии, Португалии, Испании, Франции и США. Программа стоимостью 50 млн. долларов включает в себя применение 400 солнечных панелей, общей мощностью 3,5 МВт и снижение выбросов углекислого газа на 3500 тонн ежегодно. Благодаря этому проекту "BP Amoco" станет одним из крупнейших в мире потребителей солнечного электричества, а также одним из крупнейших производителей солнечных элементов и модулей. Солнечные панели будут вырабатывать больше электричества, чем нужно для освещения и водяных насосов, поэтому система будет подключена к сети.

Рисунок 1.5 – Гараж для электромобилей с фотоэлементами на крыше для зарядки аккумуляторов

Днем излишки электроэнергии будут подаваться в сеть, а ночью из них будет пополняться недостаток энергии. Мировой рынок фотоэлементов к 2010 году должен составить 1000 МВт, а к 2050 г. - 5 млн МВт, если верить прогнозу президента компании "BP Solar".

Рисунок 1.6 – Фотоэлементы на крыше коттеджей

 

Рисунок 1.7 – Фотоэлементы на крыше жилых домов

1.1.1 Основные типы фотоэлектрических модулей, производимых в мире

Модули для  интеграции в крыши.  Такие модули обычно выпускаются без рамки и поставляются в комплекте с конструкцией для установки на крышах. Такие модули выпускаются, например, швейцарской компанией Solar Megaslate.

Модули с использованием ФЭП «Сатурн» производства BP. Уникальная технология BP Laser Groove Buried Contact позволяет получать монокристаллические кремниевые элементы с микроскопической пирамидальной структурой, которая минимизирует потери на отражение и улучшает преобразование падающего под углом к поверхности элемента света. Дополнительно, металлические контакты расположены не на поверхности ФЭП, а в специальных желобках и намного тоньше, чем в обычных ФЭП. Этот метод используется более 5 лет и постоянно совершенствуется, что позволило достигнуть КПД ФЭП 18% . В модулях BP серии «Сатурн» КПД достигает 15,5%.

Тонкопленочные модули типа CSG (crystalline silicon on Glass) выглядят как модули из аморфного кремния, но на самом деле являются кристаллическими. Специальный технологический процесс позволяет наносить тонкий слой кристаллического кремния (около 2мкм) прямо на стекло (толщина «обычного» ФЭП составляет 200-300мкм). Контакты внедряются с использованием лазера и трафаретной печати. Первые фотоэлектрические модули, произведенные по такой технологии, имели КПД около 7%. Первые серийные модули ожидаются летом 2006 года.

Модули с поликристаллическими ленточными элементами. При производстве ленточных ФЭП кристаллы кремния не разрезаются проволочными пилами, а плавятся специальными струнами (технология Evergreen Solar). Либо применяются специальные способы выращивания кристаллов (Edge defined film-fed growth компании Schott Solar). КПД таких модулей ниже, чем обычных кристаллических модулей (не более 11,6%).

Тонкопленочные CdTe модули. Две компании производят CdTe модули серийно. Это немецкая компания Antec Solar и First Solar LLC из США. Эта специальная тонкопленочная технология имеет большой потенциал для снижения стоимости фотоэлектрических модулей. КПД модулей достигает 9%. Содержание кадмия в модуле меньше, чем в обычной пальчиковой батарейке, и производители обещают принимать на переработку все произведенные ими «отработанные» модули. В 2005 году было произведено 29 МВт таких модулей, что составило 1,6% от общего производства фотоэлектрических модулей в мире.

Поликристаллические кремниевые модули. Это наиболее распространенная технология в мире. Такие модули отличаются на вид от остальных, вследствие случайной структуры кристаллических элементов. Поликристаллические ФЭП имеют более низкий КПД, чем монокристаллический, а также менее стабильны во времени. Однако стоят дешевле и вследствие лучшего заполнения площади модуля, его КПД не намного меньше, чем у модулей из монокристаллического кремния.

Тонкопленочные модули из аморфного кремния. Классический тонкопленочный модуль производится на базе аморфного кремния. В отличие от кристаллического материала, здесь нет структурированного положения атомов. Поэтому у аморфного кремния хуже полупроводниковые свойства и, следовательно, меньше КПД преобразования света. Однако для производства элементов необходимо гораздо меньше кремния, и он может быть нанесен практически на любую поверхность - стекло, металл или другой материал. КПД элементов из аморфного кремния с одним слоем - около 6%. Доля модулей из аморфного кремния на рынке незначительна.

HIT элементы от Sanyo. Hetero Junction with Intrinsic Thin Layer (гетеропереходы с внутренним тонким слоем) элементы от Sanyo имеют рекордную эффективность. КПД достигает 16,8 % в серийных модулях. В HIT элементах электронные дырки проходят через различные материалы. N-легированная монокристаллическая пластина покрыта тончайшим слоем нелегированного аморфного кремния с 2-х сторон (intrinsic layer). Снаружи элемент покрыт p-легированным слоем аморфного кремния, а с задней стороны - n-легированным слоем аморфного кремния. Максимальная мощность модулей HIT составляет 270 Вт.

Стандартные монокристаллические  модули. Такие модули дороже, поэтому менее распространены, по сравнению с поликристаллическими модулями. Однако их КПД выше. В настоящее время производятся модули из псевдоквадратных элементов. Монокристаллические фотоэлектрические модули имеют важное преимущество - практически не ограниченный срок службы (первые фотоэлектрические станции на монокристаллических модулях работают более 20 лет без существенного изменения параметров).

Модули с  задней контактной сеткой. Американский производитель солнечных элементов SunPower выпустил ФЭП из кремния с рекордным КПД - 20%. Модули, сделанные из этих элементов имеют КПД до 17,7% и являются одними из самых мощных. Солнечные элементы A-300 сделаны из монокристаллического кремния высочайшего качества; их поверхность, как и у элементов BP «Сатурн», имеет пирамидальную структуру. Более того, все контакты находятся с задней стороны, поэтому вся поверхность элемента используется для преобразования энергии света. SunPower разработала очень продвинутую технологию, которая позволяет поместить как положительные, так и отрицательные контакты на задней стороне элемента. Этот элемент, который требует для изготовления сложного технологического процесса, также известен как Point Contact Cell (элемент с точечным контактом). Кроме SunPower, ФЭП немного другого дизайна с контактами на задней стороне производят Photovoltech и Q-Cells. Известно, что Sharp тоже работает над созданием такого типа элементов.

CIS модули. Основные ингредиенты CIS модулей - медь, индий, селен, и иногда галлий (тогда элементы обозначаются как CIGS). CIS имеют наибольший КПД в группе тонкопленочных ФЭП (до 11% в модуле). Несколько компаний уже заявили о готовящемся в этом или следующем году серийном выпуске CIS модулей с общей мощностью до 62 МВт. В 2005 году, однако, было выпущено 3,5 МВт таких модулей, что составляло 0,2% от общего производства фотоэлектрических модулей.

Общая тенденция  в производстве фотоэлектрических  модулей - увеличение доли тонкопленочных модулей. Если до 2004 года модули из кристаллического кремния составляли 94,2% от общего производства модулей, в 2005 году их доля начала уменьшаться и составила 93,5%. Модули из монокристаллического кремния составляли 38,3% рынка, а из поликристаллического - 52,3% [5].

1.2 Контроллеры

В различных моделях  контроллеров предусмотрена возможность  регулировки напряжения отключения солнечных модулей при полной зарядке АКБ и глубины разряда АКБ. Контроллеры заряда – разряда устанавливаются в системе с инвертором.

Различные модели контроллеров представлены на рисунках 1.8 и 1.9 [4].

 

Рисунок 1.8 – Виды контроллеров заряд - разряд

Рисунок 1.9 – Контроллер заряда – разряда фирмы «Леса»

1.2.1 Контроллер Compact Field Point

Compact Field Point [6] представляет собой программируемый контроллер автоматизации (РАС), разработанный для решения задач автономного промышленного управления, сбора данных и их передачи по сети. Данная система обладает надежностью и возможностями, присущими ПЛК, дополненными функциональностью, гибкостью настройки и простотой программирования, свойственными обычным персональным компьютерам. Compact Fieid Point - самая надежная платформа, предназначенная для решения промышленных и портативных задач в условиях высоких ударных нагрузок, вибраций и экстремальных температур. Модули Compact Field Point работают под управлением LabVIEW Real - Time, что позволяет сохранить простоту использования и возможности LabVIEW.

Field Point - это недорогая  основанная на ПК система распределенного  ввода/вывода данных с широкими  возможностями обмена данными через последовательный порт, CAN интерфейс и Ethernet. В стационарных задачах при подключении блоков Fieid Point к ПК с целью сбора данных, их анализа, отображения и хранения, система может быть смонтирована на DiN-рейке.

Обе платформы используют модульный ввод/вывод сигналов для непосредственного подключения к датчикам и линиям управления и способны осуществлять сбор данных и их передачу по стандартным интерфейсам, например Ethernet. Обе системы конфигурируются с помощью Measurement & Automation Explorer и для программирования и осуществления соединений используют одинаковое ПО.

Информация о работе Автоматизация лабораторной установки "Фотоэлектрическая станция"