Могут ли солнечные батареи в космосе снабжать Землю чистой энергией?
Европейское космическое агентство исследует, могут ли солнечные батареи на орбите передавать возобновляемую энергию на Землю, как показано на иллюстрации этого художника. Предоставлено: European SPS Tower concept
В течение 100 лет люди мечтали отправить в космос огромное количество солнечных батарей и направить их энергию на Землю. В отличие от прерывистых возобновляемых источников энергии на земле, эти орбитальные панели всегда будут греться в ярком солнечном свете и потенциально будут обеспечивать непрерывную подачу энергии.
Теперь такие схемы начинают казаться возможными благодаря более дешевому оборудованию и снижению стоимости космических запусков. Команды по всему миру работают над ключевыми частями космических систем солнечной энергии, и прототип, созданный исследователями Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт) в Пасадене, должен начать эксперименты на орбите в этом месяце.
«В этом нет ничего необычного, что потребовало бы новой физики», — говорит Джеймс Карпентер, один из руководителей инициативы Solaris, технико-экономического обоснования, проведенного Европейским космическим агентством (ЕКА), которое может привести к полному развитию технологии с 2025 года. «Экономически это сопоставимо, например, с ядерной энергетикой», — говорит Карпентер, работающий в Европейском центре космических исследований и технологий ЕКА в Нордвейке, Нидерланды.
Космическая солнечная энергия будет жизнеспособной только в том случае, если она будет внедрена в массовом масштабе. Ученые планируют построить многокилометровые массивы солнечных панелей, которые будут вращаться вокруг Земли на расстоянии около 36 000 километров. Энергия, которую они собирают, будет преобразована в микроволны и передана на наземные приемники с еще большей физической площадью.
Китай объявил о планах вывести на низкую околоземную орбиту демонстрационную установку мегаваттной мощности в 2028 году, а затем в 2030 году развернуть еще одну систему на более отдаленной геостационарной орбите.
Nature рассматривает пять важных вопросов, на которые исследователи должны ответить, чтобы сделать космическую солнечную энергию реальностью.
Как построить солнечную ферму в космосе?
Для выработки гигаваттной мощности, сравнимой с мощностью электростанции на Земле, размер орбитальных массивов должен быть более одного квадратного километра. Это более чем в 100 раз превышает размер Международной космической станции, на строительство которой ушло десять лет. Массив будет собран в космосе из модулей, которые можно будет производить серийно и запускать отдельно. Эксперимент Калифорнийского технологического института будет включать в себя разворачивание плотно сложенной конструкции в платформу с солнечными панелями размером примерно с обеденный стол, но модули в полноразмерном массиве могут иметь длину до 60 метров.
В других проектах используется другой дизайн. Среди предложений, которые рассматривает инициатива ESA Solaris, — спиральная структура, а в Сиане, Китай, в рамках проекта Xidian University Chasing the Sun разрабатывается солнечный коллектор в форме короны.
И то, и другое потребует удаленной сборки роботами на орбите — технологии, которая все еще находится в зачаточном состоянии.
Техника, лежащая в основе таких систем, «невероятно сложна», говорит Карен Джонс, космический экономист из Aerospace Corporation в Арлингтоне, штат Вирджиния. Калифорнийский технологический институт надеется обойти эту проблему, запуская свои гибкие панели в строю, не связывая их вместе, и используя алгоритмы для коррекции любых колебаний положения, влияющих на передачу энергии. Какой бы дизайн ни использовался, компоненты нужно будет запускать еженедельно, что было бы беспрецедентной скоростью, говорит Йована Радулович, инженер-химик из Университета Портсмута, Великобритания.
Какие солнечные батареи будут использоваться?
Солнечные элементы должны быть легкими и эффективными, чтобы снизить затраты на запуск. Каждый килограмм панели должен производить 1–2 киловатта энергии, говорит Дэвид Хомфрей, физик, возглавляющий техническую работу в государственно-частной инициативе Соединенного Королевства по космической энергии.
Это отношение мощности к весу примерно в 50 раз больше, чем у обычных кремниевых элементов на Земле. Большинство проектов направлено на усиление воздействия солнечного света на солнечные элементы с помощью концентраторов, зеркал и других инновационных структур.
Клетки также должны выдерживать интенсивное космическое излучение. Тем не менее, надежные солнечные фотоэлектрические материалы, используемые во многих космических зондах, слишком дороги для развертывания в огромном массиве, поэтому исследователям необходимо знать, как будут работать более дешевые альтернативы, говорит Радулович.
С этой целью в ходе эксперимента на прототипе Калифорнийского технологического института будут испытаны 32 легких фотоэлектрических элемента, включая недорогие перовскиты. «Идея здесь состоит в том, чтобы провести тест на долговечность», — говорит Али Хаджимири, один из руководителей проекта Калифорнийского технологического института.
Исследователи Калифорнийского технологического института построили прототип космической солнечной энергетической системы, которая была запущена в январе и сейчас готовится к испытаниям на орбите.
Как солнечная энергия достигнет Земли?
Пожалуй, это самая большая проблема. Хотя лазерные лучи эффективно передают энергию, облака могут их блокировать. Чтобы избежать этой проблемы, исследователи надеются преобразовать электричество солнечных батарей в микроволны, которые проходят через атмосферу, не теряя много энергии. Тем не менее, микроволны распространяются по мере их перемещения, поэтому инженерам необходимо будет тщательно синхронизировать то, как излучаются волны, и использовать многокилометровые приемные станции для их сбора.
Преобразование солнечной энергии в электричество, затем в микроволны и обратно в электричество на земле неизбежно приведет к некоторым потерям. «Никто не будет серьезно рассматривать эту идею, пока эти потери не будут значительно уменьшены», — говорит Радулович. По оценкам ESA, только 10–15% солнечной энергии, падающей на космический массив, необходимо передать в электросеть, чтобы система была экономически жизнеспособной.
Тем не менее, для достижения этого все равно потребуется значительный прогресс в нескольких технологиях преобразования энергии, говорит агентство.
В прошлом году исследователи из Университета Сидянь использовали микроволны для передачи солнечной энергии на расстояние более 55 метров в небольшом эксперименте на Земле. Используя только обычные кремниевые элементы, он достиг общей эффективности около 2,4%; тест стал первым случаем, когда вся последовательность была продемонстрирована в одной системе, говорит Сюнь Ли, исследователь проекта. Прототип Калифорнийского технологического института станет первым космическим экспериментом, в котором для передачи и приема энергии будут использоваться микроволны, хотя и на расстоянии всего 30 сантиметров, добавляет Хаджимири.
Стоит ли все это усилий?
Космические агентства и страны считают, что космическая солнечная энергия может способствовать цели достижения нулевых выбросов углерода к 2050 году. Но «мы должны доказать, что это действительно принесет пользу планете», — говорит Джонс.
.
Космическая солнечная энергия определенно будет намного дороже, чем наземная солнечная энергия. Тем не менее, он может соперничать по стоимости с другими источниками непрерывной низкоуглеродной энергии, такими как ядерная или газовая с технологией улавливания углерода, говорит Карпентер, хотя более экономичные способы хранения возобновляемой электроэнергии на земле могут уменьшить аргументы в пользу космоса. множество.
Между тем, исследователи из Университета Стратклайда в Глазго, Великобритания, подсчитали, что космической солнечной электростанции потребуется менее шести лет, чтобы компенсировать выбросы парниковых газов в результате разработки, строительства и установки проекта. «Это выглядит очень, очень конкурентоспособно», — говорит Хомфрей. Тем не менее, Радулович сомневается в надежности таких оценок, учитывая неопределенность в отношении того, как эти системы будут спроектированы и развернуты.
Будет ли это безопасно?
Излучение микроволновой энергии из космоса на удивление безопасно.
Частота луча будет выбрана таким образом, чтобы он не нарушал связь с самолетом. И поскольку его мощность будет распределена по такой большой площади, средняя плотность энергии, получаемая наземными станциями, будет составлять около 50 ватт на квадратный метр, говорит Карпентер, что эквивалентно безвредному уровню микроволн, которые могут просачиваться из микроволновой печи. «Это в пределах того, что можно было бы считать нормальной рекомендацией по безопасности при воздействии на человека», — говорит он.
Однако исследователям необходимо будет доказать отсутствие неблагоприятного воздействия на людей, животных или окружающую среду. «Я думаю, что они должны взять пример с индустрии мобильных беспроводных сетей, которая столкнулась с теми же проблемами, и не приуменьшать эти проблемы, а доказать это исследованиями», — говорит Джонс.
Как подключить две или более солнечных панелей параллельно
Добро пожаловать в эту информативную статью.
На этой странице мы научим вас, как подключить две или более солнечных панелей параллельно , чтобы увеличить доступный ток для нашей солнечной энергосистемы, сохраняя номинальное напряжение неизменным.
Также поясним разницу между параллельным подключением двух и более одинаковых солнечных панелей и параллельным подключением двух и более солнечных панелей с разными техническими характеристиками. Наконец, мы предоставим вам действительные и практические советы, чтобы получить эффективную систему
Ну а теперь приступим! Параллельное подключение нескольких солнечных панелей возникает из-за необходимости достижения определенных значений тока на выходе, без изменения напряжения. Фактически, соединяя несколько солнечных панелей последовательно, мы увеличиваем напряжение (сохраняя тот же ток), а соединяя их параллельно, мы увеличиваем ток (сохраняя то же напряжение).
Параллельное соединение двух одинаковых солнечных панелей
Если у нас есть две солнечные панели с одинаковым напряжением и мощностью, соединение будет очень простым .
Как видно на рисунке, достаточно соединить положительный полюс одной панели с положительным полюсом другой, а затем соединить отрицательный полюс одной панели с отрицательным полюсом другой. Для этого типа соединения мы можем использовать пару Y-разветвителей MC4 для солнечных батарей
.Мы также добавили блокирующий диод последовательно с каждой панелью. Позже мы узнаем причину этих диодов.
Этот тип соединения действительно эффективен, если выполняются следующие условия:
• Расположите панели близко друг к другу и поверните к солнцу под одним углом
• Убедитесь, что панели не затеняют друг друга и находятся далеко от возможных причин затенения
• Выберите соответствующее сечение электрического кабеля в соответствии с расстоянием между панелями
• Используйте распределительные коробки, чтобы аккуратно соединить клеммы панели
Что происходит в случае затенения?
Прежде всего, полезно знать, что напряжение, которое мы находим на концах заштрихованной солнечной панели, зависит не от условий ее облучения , а скорее от условий нагрузки, которым она подвергается.
Фактически, заштрихованная панель по-прежнему прекрасно способна получать широко распространенную долю солнечной энергии и, следовательно, все еще может предлагать положительное рабочее напряжение со значением, почти идентичным тому, когда она полностью облучена (то, что уменьшается пропорционально солнечному излучению, это ток). ). Поэтому ясно, что в фотоэлектрической системе, подключенной к сети, важно выбрать правильный солнечный инвертор 9.0078, задачей которого будет поиск точки максимальной мощности (MPP) цепочки панелей как в условиях полного облучения, так и в условиях затенения.
С другой стороны, в автономных солнечных энергосистемах эту задачу выполняет солнечный контроллер заряда MPPT. Так для чего нужен блокировочный диод? Блокировочный диод используется в крупных солнечных энергосистемах для защиты целых цепочек от возможных обратных токов. Что касается обратного тока в солнечных панелях, полезно знать, что недавние исследования, проведенные престижным Институтом систем солнечной энергии Фраунгофера ISE
показали, что солнечные панели способны выдерживать обратный ток, в семь раз превышающий ток короткого замыкания, без каких-либо повреждений.
Также при проектировании рекомендуется выбирать те солнечные панели, которые внутри оснащены не менее чем тремя шунтирующими диодами , чтобы избежать потерь энергии из-за затенения.Правильный выбор диода
На рынке представлено множество типов диодов. Лучшим типом диода для солнечных батарей является диод Шоттки 9.0078 . Этот тип диода имеет очень низкое пороговое напряжение (порядка 0,35 В против 0,6 В у обычных диодов), что обеспечивает меньшее рассеивание мощности. Обратите внимание также на выбор длины и сечения электропровода, так как с увеличением количества панелей увеличивается сила тока и, следовательно, рассеивание энергии в самом проводе. Для больших токов требуется кабель подходящего сечения.
Параллельное соединение двух солнечных панелей разной мощности
Если у нас есть две солнечные панели с одинаковым напряжением, но разной мощностью, проблем нет; их можно подключить параллельно.
С другой стороны, если наши две солнечные панели имеют разную мощность и разное напряжение , то параллельное соединение невозможно , так как панель с самым низким напряжением будет вести себя как нагрузка и вместо этого начнет поглощать ток его производства с относительными последствиями.
Что делать, если у нас есть одна панель 12 В и две панели 6 В? В этом случае можно соединить две панели на 6 В последовательно, а затем подключить результирующий массив параллельно панели на 12 В. Однако последний тип подключения осуществляется за счет эффективности. Поэтому важно, прежде чем выполнять параллельное соединение, внимательно проверьте напряжение солнечных панелей. Вот очень четкое изображение того, как соединить две несовместимые солнечные панели параллельно.
Берегись тока!
Вы можете подключить несколько солнечных панелей с помощью этого метода, но вы должны обратить внимание на текущий . Если ваше выходное значение больше 70 А, ваши панели и ваша система могут быть повреждены и столкнуться с проблемами, связанными с управлением этим высоким током. Чтобы этого избежать, панели принято соединять последовательно и параллельно, увеличивая таким образом и напряжение, и ток одновременно.
Например, если бы мы соединили шесть панелей по 10 А параллельно, мы бы обнаружили на выходе достаточно большой ток, то есть 60 А.