Energoelektronika dla niekonwencjonalnych źródeł energii

Energoelektronika dla niekonwencjonalnych źródeł energii. Zamienić stały
na zmienny
Na podstawie: Rozanow J. i in., Siłowaja elektronika w sistiemach s nietradicjonnymi
istocznikami elektroenergii, „Elektriczestwo” przygotował Piotr Olszowiec
(Energia Gigawat)
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.