|
Energoelektronika dla niekonwencjonalnych źródeł energii... Zamienić stały na zmienny Na podstawie: Rozanow J. i in., Siłowaja elektronika w sistiemach s nietradicjonnymi istocznikami elektroenergii, ElektriczestwoZamienić stały na zmienny
Na podstawie: Rozanow J. i in., Siłowaja elektronika w sistiemach s
nietradicjonnymi istocznikami elektroenergii, Elektriczestwo przygotował
Piotr Olszowiec
Problemy ochrony środowiska, ograniczone zasoby energetyczne oraz wzrost wymagań
w zakresie jakości i niezawodności zasilania energią elektryczną, skierowały
badania naukowe w stronę praktycznego wykorzystania odnawialnych i
niekonwencjonalnych źródeł energii.
Niektóre z odnawialnych zasobów energii, takie jak woda i wiatr, mają już
bardzo poważny udział w bilansie energetycznym wielu krajów. Oprócz nich
znane są inne niekonwencjonalne źródła, realizujące bezpośrednie przekształcenie
różnych rodzajów energii na najbardziej użyteczną postać, czyli energię
elektryczną. Należą do nich m.in:
- ogniwa fotoelektryczne,
- generatory termoelektryczne,
- źródła termoemisyjne,
- ogniwa paliwowe,
- generatory magnetohydrodynamiczne.
Wymienione rodzaje źródeł różnią się między sobą zasadą działania i
charakterystykami techniczno-ekonomicznymi. Wspólną ich cechą jest produkcja
energii elektrycznej w formie prądu stałego. Tymczasem ogromna większość użytkowników
wymaga zasilania napięciem przemiennym o odpowiednio wysokiej jakości w
stanach ustalonych i dynamicznych.
Wymienione niekonwencjonalne źródła znalazły już zastosowanie w niektórych
układach wymagających szczególnie wysokiej pewności zasilania. W systemach
tych wspomniane źródła spełniają funkcje zasilania rezerwowego lub
awaryjnego. Źródła te stosuje się także w oddalonych rejonach pozbawionych
podstawowego zasilania z sieci, np. w okolicach wysokogórskich, na pustyniach
lub wyspach. Z uwagi na nietypowe parametry mocy wyjściowej (prąd stały o
stosunkowo niskim napięciu) wykorzystanie tych źródeł jest możliwe dopiero
po przekształceniu parametrów wyjściowych na powszechnie stosowane napięcie
przemienne. Zadanie to realizują specjalistyczne układy energoelektroniczne.
W najbardziej rozpowszechnionym typie omawianych źródeł, czyli ogniwach
fotoelektrycznych, następuje generowanie prądu elektrycznego o natężeniu
proporcjonalnym do pochłanianego strumienia świetlnego. Dla elementów
krzemowych typowe napięcie wynosi 0.6-0.7 V przy maksymalnej gęstości prądu
0.4-0.5 A/cm kw. Dla zwiększenia wyjściowych parametrów elektrycznych
poszczególne ogniwa łączy się szeregowo i równolegle w większe baterie.
Znamienną cechą ogniw fotoelektrycznych, a także pozostałych wymienionych źródeł
odnawialnych, jest silnie opadająca charakterystyka prądowo-napięciowa.
Optymalne wykorzystanie ogniwa uzyskuje się przy wydzielaniu możliwie największej
mocy. Maksymalną moc źródła można uzyskać przy regulacji poboru prądu w
miarę zmian przyłączonego obciążenia, intensywności oświetlenia,
temperatury i innych czynników. Opracowano szereg układów
energoelektronicznych umożliwiających optymalną regulację wyjściowych
parametrów elektrycznych omawianych źródeł.
Przykładowe rozwiązanie układu regulacji i przyłączenia źródła do
szyn rozdzielni przedstawiono na poglądowym schemacie. Przekształtnik (3)
realizuje regulację natężenia prądu pobieranego przez filtr (2) ze źródła
(1) z jednoczesnym dostosowaniem wielkości napięcia. Do wyjścia przekształtnika
przyłączono baterię akumulatorów (4) pełniącą funkcję zasobnika energii.
Falownik (5) dokonuje zamiany prądu stałego na przemienny o żądanym napięciu.
Przez odpowiednie wysterowanie jego zaworów możliwa jest zmiana kierunku przepływu
i wielkości mocy układu. Pokazany system jest często stosowaną konfiguracją
układu zasilania obiektu o wymaganej bardzo wysokiej pewności dostaw energii.
Odbiorniki (8) są normalnie zasilane z sieci (7) napięcia przemiennego, a w
stanach awaryjnych ze spalinowego agregatu prądotwórczego (6) oraz
niekonwencjonalnego źródła mocy.
Jednym z problemów eksploatacji baterii słonecznych jest okresowa zmienność
natężenia oświetlenia i jego równomierności dla poszczególnych ogniw.
Wskutek tego dla szeregowo połączonych ogniw, zbocznikowanych przeciwnie
skierowanymi diodami, może wystąpić niekorzystny, nierównomierny rozdział
obciążeń, przy czym w skrajnych przypadkach ogniwa słabiej oświetlone mogą
nawet pobierać zamiast wytwarzać moc. W rezultacie możliwości baterii są
wykorzystane w sposób znacznie odbiegający od optymalnego.
W takich przypadkach pomocne jest użycie energoelektronicznego układu
regulacji mocy każdego z ogniw z indukcyjnym zasobnikiem energii.
Podobne charakterystyki zewnętrzne i problemy występują przy eksploatacji
termoelektrycznych i termoemisyjnych źródeł energii elektrycznej. Również i
te niskonapięciowe źródła prądu stałego są łączone w baterie lub moduły,
a ich współpraca z odbiorami może odbywać się w przedstawionym układzie.
W ogniwie termoelektrycznym wykorzystuje się siłę elektromotoryczną pojawiającą
się w obwodzie złożonym z dwóch różnych przewodników, gdy spoiny posiadają
niejednakowe temperatury. Wartość siły termoelektrycznej zależy od różnicy
tych temperatur.
Natomiast działanie generatora termoemisyjnego opiera się na emisji naładowanych
cząstek z rozżarzonej elektrody. W najnowocześniejszych źródłach o
temperaturze pracy ponad 1000 st. C przestrzeń międzyelektrodowa wypełniona
jest parami cezu, które tworzą słabo zjonizowaną plazmę. Niezbędne dla
emisji cząstek ciepło czerpane jest z izotopów, paliwa jądrowego lub
organicznego, ewentualnie ze skupionego promieniowania słonecznego. Wyróżniającą
cechą źródeł termoemisyjnych jest wyjątkowo wysokie natężenie prądu
(ponad 100 A) przy stosunkowo niskim napięciu wyjściowym rzędu kilku V. Inną,
niestety niekorzystną cechą, jest natomiast występowanie wysokiej temperatury
w strefie elektrod, co utrudnia współpracę tych źródeł z innymi urządzeniami
układu.
W ogniwach paliwowych realizowana jest bezpośrednia zamiana na energię
elektryczną energii uwalnianej w chemicznych reakcjach utleniania różnych
paliw (np. naftowych, spirytusu, metanu, wodoru). Obecnie w wielu krajach
prowadzone są zaawansowane prace nad wdrożeniem tej ekologicznie czystej i
wysokosprawnej technologii na skalę przemysłową. Planuje się uruchomienie
instalacji złożonych z szeregu ogniw o łącznej mocy dziesiątek MW. Wewnętrzny
opór elektrolitu ogniwa paliwowego jest czynnikiem decydującym o wyborze układu
wyprowadzenia i przetwarzania mocy źródła. Systemy te posiadają podobną do
wcześniej omówionej strukturę, i często wykorzystują falownik z regulacją
szerokości impulsów. Na takiej zasadzie funkcjonuje w USA elektrownia złożona
z ogniw paliwowych o mocy 2 MW.
Efektywne wykorzystanie niekonwencjonalnych źródeł niskiego napięcia wymaga
zastosowania złożonych układów regulacji i przetwarzania mocy. Ciągły postęp
w dziedzinie konstrukcji elementów i układów energoelektronicznych umożliwia
optymalne sterowanie przepływem mocy do odbiorników o różnych parametrach
pracy. Dzięki temu użytkownicy energii elektrycznej uzyskują nowe, przyjazne
środowisku, źródła mocy o wysokiej niezawodności zasilania.
Typowy układ zasilania odbiorów o wysokich wymaganiach niezawodności i jakości
dostaw energii elektrycznej.
Promocje:
|
|
