"Energia Gigawat"

Energoelektronika dla niekonwencjonalnych źródeł energii

Autor: Piotr Olszowiec

Data publikacji: 06.03.2004 15:38

Zamienić 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.

---