Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Зеленая энергия

Солнечная станция. Тепловизионное и электролюминесцентное тестирование своими руками

19.11.2020 20:15:16 | Автор: admin

Обзор типичных проблем, возникающих с солнечными станциями, и на что стоит обратить внимание, пока не стало слишком поздно. Основано на анализе 50+ домашних солнечных станций различного возраста.

Вступление

К основным методам тестирования, которые могут показать некачественные изменения в работе, как самой солнечной станции, так и панелей, относятся тепловизионная диагностика и тестирование с использованием электролюминесценции.

К количественным измерениям можно отнести измерение вольт амперной характеристики панели (IV Curve), но про это в другой раз.

Этой весной, наконец, все работы были завершены, мои http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/465133/ станции достроены и пришло понимание, что было бы неплохо проверить, всё что нажито непосильным трудом построенное.

Наслушавшись про возможные варианты дефектов в солнечных модулях, я решил углубиться в тему, и поделиться своиминаработками.

Тепловизионное обследование солнечных станций

Как самое простое, хоть и не самое бюджетное решение, была выбрана тепловизионная съемка. Про тепловизоры много есть на Хабре да и в интернетах написано уже немало, но подчитав, в том числе и

http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/457808/

http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/company/lamptest/blog/402071/

мой выбор пал на FLIR ONE Pro Gen3 (Тепловое разрешение 160 120, Оптическое разрешение 1440 1080), которого оказалось более чем достаточно для моих целей. Покупал слегка в б/у состоянии, за 400$.

Забегая немного наперед скажу, что о лучшем за эти деньги я не мог и мечтать, рекомендую.

Мои станции были довольно далеко, и учитывая карантины и прочие приятности года, возможности оперативно туда поехать не было никакой, а желание затестить на чем то кроме котиков

Сфинкса видно издалекаСфинкса видно издалека

просто жгло изнутри. Был кинут клич, и предложено бесплатное тестирование станций всем желающим, что не преминуло дать свои результаты.

Халява объема не имеет Тестирование чужих станций переросло в хобби, и я проверил уже более 50 чужих станций, старшим из которых исполнилось более 5-ти лет, и в целом статистика накопилась довольно занимательная.

К сожалению, станций совсем без дефектов, было намного меньше чем полностью исправных.

Основные проблемы, которые присутствовали на станциях - это пробитые диоды Шоттки

пробитые диоды Шотткипробитые диоды Шотткипробитые диоды Шотткипробитые диоды Шотткипробитые диоды Шотткипробитые диоды Шоттки

и конечно же плохие контакты.

плохо обжатый вход в инверторплохо обжатый вход в инверторгорячий межпанельный контактгорячий межпанельный контактгреется диодная коробкагреется диодная коробкаопоздали с тестом на неделюопоздали с тестом на неделюплохо обжатые входа в инверторплохо обжатые входа в инвертор

И если плохой контакт устранить обычно довольно просто, то замена диода в современной панели выглядит совсем не тривиально. Гуглятся очень простые инструкции, по замене сгоревших диодов, да и сами диоды продаются в различных магазинах. Только вот вскрытие диодных коробок (junction box), на современных панелях, меня крайне огорчило.

современная диодная коробкасовременная диодная коробка

Всё залито компаундом и заменить диоды Шоттки совсем не так просто как раньше.

вскрытие показало, что пациент умер от вскрытиявскрытие показало, что пациент умер от вскрытия

Если диод не заменить, то он меняет характеристики панели (минус 1/3), и она потянет за собой весь стринг. В дальнейшем, диод рискует окончательно сгореть, что может привести и к пожару. Падение мощности панели на 33% является гарантийным случаем, и лучше всего обращаться сразу к поставщику. Самостоятельно вмешательство будет расценено как не гарантийный случай.

Поэтому, я настоятельно рекомендую, всем владельцам солнечных станций, хотя бы раз в год проводить инспекцию тепловизором. Можно скооперироваться и приобрести такой как у меня, можно взять в аренду, благо тепловизионное обследование домов теперь довольно развито в каждом регионе, или заказать у специализированной фирмы облет дроном (правда, он всего всё равно не покажет, зато быстро).

Нужно понимать, что из-за дефектов у Вас будут потери в генерации, которые Вам никто и никогда не компенсирует.

Ряд проблем с панелями возникал уже сразу после инсталляции, ввиду небрежного обращения с панелями, неаккуратной транспортировки или заводского брака.

каждое пятно - это повреждение панели, затенения нет, станции менее 6 месяцевкаждое пятно - это повреждение панели, затенения нет, станции менее 6 месяцевте же панели, крупный планте же панели, крупный планстанции исполнился месяцстанции исполнился месяц

Кто желает бесплатное обследование и для себя - может писать в личку или комментарии, но есть определенные ограничения по ГЕО фактору (Западная Украина), по крайней мере на данный момент. Последовательные отчеты об исследовании каждой станции выложены на форуме, внимание, Украинский язык.

По мере накопления и опубликования результатов тестирования, в меня начали лететь тапки начали поступать замечания, по поводу точности и корректности тепловизионной съемки. Теперь глаз уже наметан, и проблемы я нахожу намного быстрее. Но главный вопрос, а насколько всё было реально плохо и отвечало ли реальности - оставался открытым.

Частично найти на него ответ помогает следующий тип тестирования.

Электролюминесцентное тестирование солнечных панелей

В теории, этот метод тестирования может четко показать повреждения солнечной панели, оставалось проверить это на практике.

Электролюминесценция солнечных панелей (EL imaging solar cells), для краткости EL-тестирование, один из основных современных методов диагностики и тестирования солнечных панелей.

Метод основан на том, что кремниевые элементы начинают излучать в близком инфракрасном диапазоне (Near Infrared), при подключении их к блоку питания.

Каждая панель, которая сходит с конвейера, проходит аналогичный тест, а фото ложится в архив. В сложных случаях можно, а в целом и нужно, запросить у поставщика данное фото по серийному номеру панели, и в теории можно даже проследить развитие незамеченных на производстве трещин и т.д.

Основных проблем, которые возникают при тестировании, всего две:

Первая - это необходимость подать нужный ток/напряжение на панель или стринг. Панель потребляет ровно столько, сколько должна генерировать. Для тестов единичных панелей можно использовать лабораторные блоки питания, или заказать собственный, цена вопроса в моем случае - напряжения до 80V и ток до 10A, составила ~80$.

2 пробитых диода2 пробитых диода

Для тестирования стринга одним махом, нужны качественно иные блоки питания, до 1000В, и цена их в разы выше. Для начальных задач, вполне хватает моего блока питания, но я уже присматриваюсь к чему то более мощному.

Вторая - но отнюдь не менее важная, это фотоаппарат или камера, способная снимать в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR).

Есть много научных работ, в которых приводятся и специализированные камеры, и даже камеры от Raspberry PI, есть и другие варианты. Если есть пару лишних тысяч и желание попонтоваться иметь профессиональный инструмент - гуглим InGaAs sensor.

Основным рабочим инструментом рекомендуют фотоаппарат с CCD матрицей. Данная матрица неплохо регистрирует волны длиной ~950 нм. Всё что нужно - это удалить инфракрасный фильтр, стоящий перед матрицей и снимать в темное время суток.

Предложенные решения не удовлетворяли меня либо по качеству картинки, либо цене, либо функционалу.

Первой жертвой была мыльница Olympus Digital 800, которая уже много лет пылилась на свалке истории полке. Жажда знаний победила хомяка, и фотоаппарат был вскрыт без малейших зазрений совести и инструкций. Результат был достигнут, но качество фото увы не впечатлило.

Тут уже началась борьба с другим животным, но был достигнут другой гармоничный компромисс, благодаря новым знаниям. Надеюсь, это облегчит и Вам творческий поиск.

CCD матрица - почти не встречается в современных фотоаппаратах, а если встречается, то ее размеры оставляют желать лучшего, как и фотоаппарата, в который ее запихнули. Можно купить профессиональный фотоаппарат из прошлого, за вполне разумные деньги, но время выдержки исчисляется 10-ками секунд, поддержки современных технологий нет от слова совсем (WIFI, pc live view, древние форматы карт и т.д.)

Копание в технологии производства матриц привело к интересному варианту - BSI-CMOS. Он обладал повышенной чувствительностью благодаря технологии производства, о которой трубили во всех обзорах того времени. Технология оказалась переходной, между CCD и CMOS, но достаточно приблизилась к сегодняшнему дню.

Осталось найти подходящего кандидата и рискнуть.

Но если ранее, любая новая матрица довольно подробно описывалась на многих технических ресурсах и каталогах товаров, то теперь почти во всех каталогах фильтр по матрицам убрали. Частично мне помог ресурс https://www.dpreview.com/products/search/cameras#!

После выбора сенсора, я смог выбрать то, что удовлетворяло по функционалу и присутствовало на вторичном рынке по разумной цене. Звезды сошлись на Samsung NX mini, с рулеткой и блекджеком BSI CMOS 1, Wi-Fi, RAW, которую удалось приобрести за символические 110$ в почти новом состоянии. Благодаря Wi-Fi я могу видеть и снимать панели дистанционно, что очень удобно в полевых условиях. По нужным параметрам находилось больше 10 камер, так что Вы сможете подобрать что то и на свой вкус и кошелек.

Также, благодаря матрице, на контрастную фотографию у меня тратится максимум 2 секунды, а начинает снимать удовлетворительно с 0,5 с. выдержкой. При определенных обстоятельствах, дефекты видно даже через электронный визир камеры.

Когда дело дошло уже до разбора камеры, поиск инструкций неожиданно привел меня к братьям по разуму - астрономам любителям, которые оказывается уже давно и плотно сидят "в теме" ближнего инфракрасного диапазона. Есть ряд сайтов, где продают знаменитую красную фотопленку уже готовые фотоаппараты, с удаленным инфракрасным фильтром, а так же много инструкций по популярным моделям, как разобрать, ну и главное собрать фотоаппарат обратно. При наличии умения держать отвертку и в некоторых, особо сложных вариантах, отпаять 2 проводка, рекомендую пройти этот путь самому.

В целом, рекомендации и рекомендуемый модельный ряд, довольно сильно совпали с моим выбором, и я был сильно опечален, что не провел эту параллель ранее, а был вынужден изобретать велосипед.

Теперь можно наглядно получить полное представление о повреждениях, полученных панелью.

испытание в домашних условияхиспытание в домашних условияхтак выглядят пробитые диодытак выглядят пробитые диодытак выглядят пробитые диодытак выглядят пробитые диоды

Фото в полевых условиях выходят не настолько качественные, но это временное явление.

повреждение ячеекповреждение ячеектак этот же участок видит тепловизортак этот же участок видит тепловизортут всё октут всё октут всё октут всё ок

Ряд проблем на станциях можно выявить невооруженным взглядом, достаточно раз в год делать внимательный осмотр и подтягивать контакты на своей станции.

"snail trails" "snail trails" отслоение подложкиотслоение подложкидо пожара оставался один шагдо пожара оставался один шаг

Для постройки домашней солнечной станции не нужны разрешения, и фантазия нарушений выходит далеко за рамки ПУЭ - построить без заземления, закопать СИП в землю, не верно подобранные сечения кабелей, построить домик Наф-Нафа и многое, многое другое.

Следующий этап развития проверок - это более глубокий анализ параметров панели, с помощью анализатора Вольт-Амперной кривой (IV Curve). Профессиональные приборы стоят от 1000$, но я нашел вариант намного бюджетнее, и не уступающее им по точности - https://www.instructables.com/IV-Swinger-2-a-50-IV-Curve-Tracer/, разработал очень адекватный и крутой инженер. Но про это будет уже в следующей части, платы пока только в пути.

К сожалению, моё увлечение встретило определенное сопротивление со стороны как производителей, так и дистрибьюторов. Буду рад всем откликнувшимся, кто сталкивался с подобными проблемами. Проблемы есть, но их уверенно и втихаря заметают "под коврик".

Всем, кому близка тема домашних солнечных станций, присоединяйтесь.

Тем, кто хочет самостоятельно погрузиться в изучение своих станций тепловизором и/или электролюминесценцию, рекомендую начать со следующих документов

https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2020/01/IEA-PVPST13-012014ReviewofFailuresofPhotovoltaicModulesFinal.pdf

https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2020/01/ReviewonIRandELImagingforPVFieldApplicationsbyTask_13.pdf

Подробнее..

От свечей до зеленой энергии использование парафина в подземных хранилищах возобновляемой энергии

07.08.2020 10:16:09 | Автор: admin


Использование возобновляемых источников энергии обещает много аппетитных плюшек: значительная экономия ресурсов, улучшение экологической ситуации и даже социальные изменения в некоторых регионах планеты. Однако, чтобы эти преимущества были использованы на все 100% необходимо научиться эффективно хранить собранную, но неиспользованную энергию. На данный момент весьма распространенным методом являются подземные хранилища. С их помощью, например, можно в зимние месяцы использовать излишки собранной летом солнечной энергии. Ученые из Галле-Виттенбергского университета им. Мартина Лютера (Германия) решили проверить, может ли использование парафинового воска в строительстве подземных хранилищ термальной энергии сделать их более надежными, долговечными и эффективными. Какие эксперименты для проверки данной идеи были проведены, что они показали, и так ли хорош воск, как о нем думали ученые? Об этом мы узнаем из доклада исследователей. Поехали.

Основа исследования


Очевидно, что далеко не во всех регионах нашей прекрасной планеты одни и те же источники возобновляемой энергии будут выдавать одинаковую выработку круглый год. Солнечная энергия является ярким тому примером.

Методов хранения излишков накопленной энергии (в данном случае в виде тепла) существует несколько: латентный, химический, механический и т.д.

В то время как латентные аккумуляторы тепла используют эффекты фазового перехода (например, вода/лед), термохимические аккумуляторы основаны на обратимых эндо- и экзотермических реакциях, таких как гидратация солей. Эти конкретные методы вполне действенны, но редко применяются из-за высоких начальных материальных затрат.

Еще одной распространенной технологией является хранение тепловой энергии в больших искусственных наземных бассейнах. В качестве носителя тепла в таких сооружениях используется вода или водонаполненный гравий объемом несколько тысяч кубометров.

Методик хранения много, все они в той или иной степени работают, однако имеются и проблемы, некоторые из которых общие для всех методик. Самой очевидной проблемой является потеря тепла.

Чтобы избежать утечек, бассейн, где располагается носитель тепла (вода, например), должен быть герметичен и обладать низкой теплопроводностью. Решением этой проблемы на данный момент является тонкая пластиковая оболочка. Однако используемые для этой оболочки материалы нельзя назвать идеальными, а потому утечки все равно имеются. Причиной тому может быть низкое качество или недолговечность изолирующего материала, что приводит к контакту теплоносителя и окружающей среды, от чего эффективность всей системы снижается.

Учитывая вышеописанные проблемы, ученые решили проверить возможность применения воска в качестве изолирующего материала для предотвращения тепловых утечек в хранилищах.

Парафиновый воск представляет собой смесь молекул углеводородов с различным числом атомов углерода. Длина С-цепей составляет от 20 до 60 для мягких и твердых парафиновых восков, и этот показатель контролирует как точки плавления, так и точки затвердевания материала. Например, при температуре затвердевания 42 C и температуре плавления 40 C молекулы имеют длину цепочки около 21 атома углерода. Популярность парафина в области хранения объясняется еще и достаточно хорошим показателем удельной теплоты плавления (от 150 кДж/кг до 220 кДж/кг) и достаточно низкой теплопроводностью (от 0.15 Вт/мК до 0.30 Вт/мК, что на порядок ниже, чем у водонасыщенного гравия около 2.4 Вт/мК). Помимо этого парафин является гидрофобным и нетоксичным материалом.

Одно дело высказывать красивые теории, совершенно другое иметь фактические доказательства ее достоверности. Чтобы это сделать, ученые провели ряд экспериментов, в которых реализовывались различные комбинации условий (температурный режим, толщина тестируемой парафиновой мембраны и т.д.).

Подготовка к эксперименту


На первом этапе исследования ученые измерили потери энергии при использовании парафина внутри двух секций герметизирующих слоев конструкции PTES (от pit thermal energy storage подземное хранилище термальной энергии).


Изображение 1: схема экспериментальной установки (вид сверху) для тестирования тепловых характеристик, показывающая расположение датчиков температуры и используемых материалов (PVC поливинилхлоридная пленка; PS полистирольные стеклянные пластины).


Изображение 2: фото экспериментальной установки с черной PVC-пленкой (а) и (b-d) PS в качестве герметизирующего слоя. Обозначения: 1 окружающий материал; 2 изоляционный слой парафина; 3 PVC-пленка; 4 вода; 5 уплотнительные PS-пластины; 6, 7 датчики температуры в парафине / воде; 8 нагревательное устройство; 9 камера.

В качестве внешнего ограждения использовался контейнер из акрилового стекла, размеры которого составили 1000 x 300 x 600 мм (длина, ширина, высота). Внутри был расположен небольшой накопитель тепла с деионизированной водой в качестве материала-носителя. Сам накопитель (600 x 200 x 400 мм) был дополнительно заключен во внутреннюю герметизирующую оболочку.

В первой серии экспериментов герметизация проводилась с помощью жестких пластин из полистирольного стекла (PS) толщиной 5 мм. Во второй серии опытов пластины PS были заменены поливинилхлоридной (ПВХ или PVC) фольгой толщиной 0.5 мм, которая обычно используется для герметизации существующих на данный момент резервуаров.

Ученые отмечают, что сравнение PS и ПВХ пластин позволяет сосредоточить внимание на потенциальной механической деформации при включении в систему изоляции парафина, который был залит между слоями герметизирующей мембраны на одной из коротких сторон контейнера (2a и 2b).

В опытах использовался чистый парафиновый воск. Внутри герметизирующей мембраны он был распределен по всей поверхности без пустующих пространств (пор), чего не было бы в случае с парафиновыми композитными материалами.

В серии опытов с PS пластинами толщина слоя парафина составила 20 мм (2b), а объем 1600 мл. В серии опытов с ПВХ были такие же параметры (). Использованный парафин имеет относительно низкую температуру затвердевания при 42 C и температуру плавления примерно при 40 C.

Верхняя крышка контейнера была изготовлена из прозрачной пластиковой фольги, что сводит к минимуму эффекты испарения. Чтобы дополнительно защитить эксперимент от воздействия окружающей среды и имитировать зернистые свойства почвы, окружающей резервуар в реальных условиях, был использован гранулят из вспененного стекла. Учитывая, что этот материал является вторсырьем и имеет размеры гранул не более 58 мм, он также работает как внешний теплоизолятор (теплопроводность = 0.084 Вт/мК).

Для нагрева среды применялся лабораторный термостат с электрической мощностью 2 кВт (2c и 2d), при этом нагревательный элемент с циркуляционным насосом был установлен в центре водяного столба. Таким образом была создана имитация процедуры прямой загрузки без термической стратификации в бассейне и достигнуто однородное распределение температуры во всех областях среды. Для измерения температуры и регистрации данных использовались два 20-канальных мультиплексора Keysight 34901A и один Keysight 34972A. Всего было подключено 15 датчиков температуры (2d) Pt100 (характеристики: нержавеющая сталь, водонепроницаемый, 4 провода, длина 500 мм, измерительный наконечник 20 мм, точность 1/10 DIN).

Точность датчиков напрямую зависит от температуры. В диапазоне температур за все эксперименты она составила от 0.04 C (при 20 C) до 0.06 C (при 60 C). Три датчика были непосредственно внедрены в сам парафин на разной высоте.

Визуальное наблюдение за экспериментами велось посредством установленной HD-камеры.


Изображение 3: а схема процесса экспериментов по определению тепловых характеристик; b фазы эксперимента (розовый задержка нагрева/охлаждения из-за эффектов фазовой случайности; линии: синяя вода, зеленая парафин, желтая окружающий материал).

Второй этап исследования заключался в проверке тепловых потерь в случае применения парафина.

Испытания на герметичность подтвердили желаемый механизм самовосстановления при использовании парафинового воска в гидроизоляционных мембранах для хранения. Поскольку парафин используется в чистом виде, он имеет прямой тепловой переход с интерфейсами внутреннего и внешнего слоев и поэтому должен сначала расплавиться в фазе нагрева. Впоследствии он должен быть в виде гидрофобной подвижной жидкости для перекрытия путей к более холодному окружающему материалу в случае утечек.


Изображение 4: схема экспериментальной установки для проверки утечек (зеленый парафин, синий вода, красный слой ПВХ, желтый окружающий материал. Точки указывают на положение датчиков.


Изображение 5: a фото экспериментальной установки; b трещина в ПВХ-фольге с выходящим парафином; с песок с парафином; d непроницаемое соединение окружающего материала с поровыми пространствами, заполненными парафином.

Операционное и измерительное оборудование (датчики, нагрев и т.д.) были такими же, как в предыдущей экспериментальной установке. Отличия были лишь в некоторых габаритах: внешний кожух из полистирола был меньше (400 x 200 x 200 мм), а окружающий материал был установлен лишь с одной стороны контейнера (). Слой парафина толщиной 20 мм (800 см3) был нанесен в непосредственном контакте с внутренним заполнением деионизированной воды (280 мм x 200 мм x 200 мм). Во внешней PS пластине окно 50 x 50 мм было покрыто ПВХ пленкой для имитации различных типов утечек в герметизирующей фольге, таких как трещины, большие отверстия и перфорированные зоны (5b).

Площадь окружающего контейнер материала в конечном итоге составила 100 x 200 x 200 мм, что позволило отчетливо наблюдать и достаточно точно измерять выход парафинового воска и его дисперсию (5c и 5b).

В качестве окружающего материала выступило два вещества, каждое из которых применялось в отдельной серии опытов: мелкий песок (размер зерна: от 0.063 до 2 мм) использовался для имитации реальных условий; стеклянные шары диаметром 3 мм для имитации идеальной зернистой структуры и для проверки поведения расплавленного парафина в средах с сильно пористым пространством ().


Изображение 6: а схема процесса экспериментов на утечку; b вид сверху на сформированные после утечки области парафина.

Результаты экспериментов


Графики, представленные ниже (7 и 8) демонстрируют результаты опытов по тепловым характеристикам в фазах нагрева и охлаждения для шести выбранных экспериментальных настроек.


Изображение 7: а задержка нагрева лабораторного накопителя тепла из-за плавления парафинового воска; b дополнительно накопленное тепло в парафиновом воске во время фазы нагрева.


Изображение 8: а задержка охлаждения лабораторного накопителя тепла из-за затвердевания парафина; b дополнительное тепло, выделяемое парафином, измеренное в фазе охлаждения.

Ученые отмечают, что первые положительные результаты экспериментов можно было увидеть уже при оценке покадровой съемки, поскольку жидкие компоненты можно было наблюдать даже при низких температурах. Следовательно, даже эксперименты, где целевые температуры ниже точки плавления использованного парафинового воска, показывают значительные эффекты замедления и накопления / повторного использования тепловой энергии.

Это может быть связано с составом парафинового воска, так как использованный в опытах парафин не является высокоочищенным материалом. Поскольку он содержит молекулы углеводородов разной длины, фракционирование происходит при нагревании или охлаждении, и различные частичные участки плавятся и затвердевают в разных диапазонах температур.

Следует отметить, что это относится ко всем индуцированным фазовым изменениям, приводящим не к четким и резким, а к мягким и медленным переходам.

Далее были проанализированы деформации парафинового слоя во время плавления при использовании ПВХ-пленки. Смещение парафинового воска из-за давления наполнителя в направлении окружающего материала привело к появлению клиновидной выпуклости. В результате толщина изолирующего слоя парафина стала неоднородной по вертикали (сверху толще, снизу уже ввиду смещения). Однако подобные побочные эффекты можно нивелировать посредством использования дополнительной изолирующей пленки из полистирола.

После анализа визуальных данных (записей камеры) ученые приступили к анализу температурных данных, начиная с фазы нагрева (изображение 7). Анализ показал значительные задержки из-за плавления парафина во всех шести вариантах испытаний. Это примечательно тем, что эта фаза относительно короткая с линейным увеличением температуры от 0.49 до 0.71 К/мин.

Диапазон значений периода задержки (7a) различных экспериментальных настроек велик, от 360 с до 1600 с (средняя задержка плавления около 1000 с). Этот показатель на 80% выше, чем в случае использования обычной ПВХ-пленки. Следовательно, результаты всех тестов подтверждают достижение желаемого эффекта от использования парафина: быстрая зарядка хранилища может быть эффективно задержана за счет процесса плавления парафина. Кроме того эти тесты дополнительно указывают на снижение латеральных тепловых потерь.

На 3b видно, что существует тесная корреляция между временем задержки и тепловой энергией, накопленной в фазе нагрева (7b). Следовательно, значения энергии также показывают большие колебания, в диапазоне от 4.21 до 12.44 кДж/кг при среднем значении 6.55 кДж/кг. Эти значения достаточно малы, однако обнаружение более медленных процессов плавления может быть усугублено быстрым нагревом.

Что касается уплотнительного материала, то его влияние достаточно незначительно. Разница между ПВХ и PS при одинаковой температуре невелика, и значение для PS, равное 5.78 кДж/кг, ненамного превышает среднее значение 6.71 кДж/кг для всех экспериментов с ПВХ.

Исходя из самых распространенных систем хранения тепловой энергии (PTES), при объеме накопителя в 50 000 м3 толщина парафинового слоя должна быть порядка 0.1 м при объеме в 1000 м3.

Результаты в конечном итоге показывают увеличение емкости накопителя примерно с 3.16106 МДж (0.88 МВтч) до 9.33106 МДж (2.59 МВтч). Другими словами, использование парафина слегка увеличивает объемы хранимой энергии. Хоть разница и не очень велика, но это можно расценивать как приятный бонус, учитывая, что суть парафина не в увеличении объема, а в его сохранности (в борьбе с утечками).

Далее были проведены расчеты и оценка динамики и влияния парафина на систему во время фазы охлаждения (изображение 8).

Как и следовало ожидать, фаза охлаждения отражается не линейным градиентом температуры и энергии, а экспоненциальным убыванием, сходящимся к температуре окружающей среды. В результате, этот этап охватывает гораздо более длительные периоды времени, пока температура системы не будет равна температуре окружающей среды (; в среднем 95 часов, максимум 144 часа).

Первые результаты анализа фазы охлаждения уже показывают существенные различия, так как периоды замедления, вызванные затвердеванием парафинового воска, на несколько порядков выше (). Они варьируются от 8500 с (~ 2.5 ч) до примерно 17000 с (~ 4.7 ч), при среднем значении 14000 с (~ 3.9 ч). Кроме того, заметная разница между значениями для PS и ПВХ при одинаковой температуре (34 C) указывает на значительное влияние герметизирующего материала, поскольку можно использовать больше парафинового воска, чтобы предотвратить процессы деформации. Однако при более высоких рабочих температурах не наблюдается четкой тенденции увеличения времени задержки.

В целом результаты задержек на этапе охлаждения демонстрируют более эффективную применимость парафина в контексте хранилищ энергии. В результате крутизна тепловых градиентов по направлению к окружающей среде может быть уменьшена, а потери энергии сведены к минимуму.

Хотя кривая естественного охлаждения, применяемая в экспериментах, не отражает должным образом условия периодического накопления энергии и разрядки в конкретном случае применения парафина, результаты доказывают, что охлаждение задерживается за счет энергии, рекуперированной при затвердевании парафинового воска. Таким образом, кратковременные процессы разряда могут быть буферизованы и компенсированы в течение более длительного периода, что приводит к более медленному снижению температуры в корпусе накопителя и, следовательно, к меньшему влиянию на структуру уплотнительного материала (и, как следствие, на его долговечность).

Если перевести лабораторные результаты в плоскость реальных условий, то они показывают, что объем парафина в 1000 м3 обеспечит дополнительную емкость хранения от 12.01 МВтч до 40.70 МВтч (в среднем 28.77 МВтч).


Изображение 9: измерения парафиновых образований и окружающего материала при разных вариантах деформации контейнера.

Как мы уже знаем, в рассматриваемой нами сегодня концепции парафин может служить в качестве закупорки образованных деформаций внешних стенок контейнера хранилища.

Поскольку формы различных типов утечек (трещины, отверстия круглой формы и т.д.) сильно различаются, учитывать их длину или диаметр было бы нецелесообразно. Посему было решено использовать общую площадь деформации в качестве вспомогательного параметра для сравнения размеров (A на изображении 9).

Несмотря на разную динамику деформаций ввиду их габаритных и геометрических особенностей, методика самовосстановления стенок за счет парафина показала отличные результаты. Принцип действительно прост: в случае возникновения трещины (или любой другой деформации) парафин вступает в контакт с окружающим материалом, температура которого достаточно низка, чтобы вызвать его затвердевание, что и приводит к закупорке отверстия.

Чтобы понять, сколько парафина будет потеряно из общего объема в случае ремонта деформации, был проведен сравнительный анализ массы и объема образованных в случае этого процесса тел.


Изображение 10: масса (а) и объем (b) образовавшихся после индуцированной утечки тел, состоящих из парафинового воска и окружающего материала.

Анализ показал, что доля парафина в образовавшихся телах составляет от 36% до 67%. Из этого следует, что парафиновая стенка теряет от 5 см3 до 80 см3 своего объема. При учете общего объема в 800 м3 потери парафинового воска невелики и составляют от 1.5% до 17%.

Эти результаты доказывают, что свойства самовосстановления парафина могут применяться без значительных расходов используемого материала и что предложенный подход работает вполне эффективно.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Многие вещи, которые человек использует не первый век, обладают свойствами и потенциальными вариантами применения, о которых ранее никто не думал. Парафин является ярким тому примером.

Ресурсы нашей планеты не безграничны, а потребляем мы их ой как много. Следовательно, развитию технологий возобновляемой энергии стоит уделять максимум внимания. Когда одни ученые занимаются вопросами сбора зеленой энергии, другие пытаются создать идеальную методику ее хранения.

В данном исследовании был описан не столько новый метод, сколько модификация имеющегося. В применимых на данный момент подземных хранилищах энергии основной проблемой являются утечки оной. Авторы сего труда предположили, что парафин может быть дешевым и эффективным способом решения этой проблемы. И это неудивительно, ведь парафин обладает рядом полезных свойств: начиная от гидрофобности, заканчивая низкой температурой плавления.

Результаты экспериментов показали, что использование небольшого объема парафина в качестве дополнительной оболочки для хранилищ энергии способствует значительному снижению утечек и повышению способности системы аккумулировать тепло.

В дальнейшем ученые намерены выяснить, каким образом перевести столь воодушевляющие лабораторные результаты в промышленные масштабы, так как при банальном увеличении габаритов системы меняется ее динамика.

Однако, какие бы сложности не стояли на пути данного исследования, ученые не сомневаются в его важности, ибо любые новые данные, новые техники и разработки имеют огромное значения для всей индустрии возобновляемой энергии, в которой так отчаянно нуждается человечество.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Прозрачная энергия превращение окон в солнечные панели

21.08.2020 10:13:31 | Автор: admin


Последнее время то и дело говорят о зеленой энергии, возобновляемых источниках оной, а также о методах ее получения, хранения и использования. И это вполне логично, ведь население планеты неустанно растет, а запасы ископаемых источников энергии стремительно иссякают. Рано или поздно может наступить такой момент, когда вся энергия, используемая людьми, будет вырабатываться солнцем, ветром и т.д. Посему многие исследователи занимаются совершенствованием существующих и созданием новых методик сбора зеленой энергии. Сегодня мы познакомимся с исследованием, в котором ученые из Мичиганского университета разработали прозрачные (точнее полупрозрачные) солнечные панели. Из чего была создана данная технология, каков принцип ее работы, и смогут ли небоскребы стать эффективными сборщиками солнечной энергии? На эти вопросы мы найдем ответы в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Солнечные панели когда-то были достаточно большой редкостью, но сейчас, благо дело, их доступность и популярность сильно возросли. Недавно я проходил мимо одного жилого дома в своем городе и заметил, что его глухие стены и крыша полностью покрыты солнечными панелями. Это вызвало у меня в равной степени удивление, восхищение и море вопросов касательно эффективности, экономической выгоды и прочего. Тем не менее этот эмпирический пример отлично показывает одну особенность панели были установлены там, где они не будут мешать (т.е. не на окнах).

Конечно, существуют целые поля солнечных панелей, занимающие сотни квадратных метров (а то и больше), но в густонаселенных и, следовательно, густозастроенных городах слишком мало свободного пространства для такого метода установки. Кто-то скажет: если бы сильно хотели зеленую энергию и солнечные панели, то и место нашлось бы. Согласен, но реальность пока иная. Лишнего пространства между высотками может и не очень много, но вот чего много, так это окон, которые сами могли бы стать сборщиками солнечной энергии.

На данный момент уже существует несколько разработок в области полупрозрачных солнечных панелей, эффективность которых достигает 7%. В их разработке важную роль играют органические полупроводники. По сравнению с неорганическими полупроводниками, узкие экситонные* полосы внутри органических полупроводников открывают новые возможности в области органических фотоэлектрических элементов (далее OPV от organic photovoltaics), так как многие органические соединения избирательно поглощают свет за пределами видимого диапазона длин волн.
Экситон* электронное возбуждение в полупроводнике, диэлектрике или металле, перемещающееся по кристаллу, но не связанное с переносом электрического заряда и массы.
Эффективность полупрозрачных фотоэлектрических элементов (ST-OPV) в 7% может радовать ученых и людей, понимающих сложность достижения такого показателя у столь нестандартной технологии, но с точки зрения экономической выгоды это слишком мало. Кроме того, лишь небольшая доля из разработанных ST-OPV достигает видимой прозрачности в 50%, что критично для многих приложений.

В результате для создания ST-OPV необходимо найти баланс между эффективностью сбора энергии и достаточным уровнем прозрачности, что не есть простая задача. Ученые также добавляют, что многие уже созданные ST-OPV имеют весьма неэстетичный внешний вид (оттенок стекла), что также никак не способствует популяризации данной технологии.

На сегодняшний день эффективные ST-OPV нейтрального цвета в основном сосредоточены на использовании материалов с сильным поглощением в ближней инфракрасной области (NIR), включающих структуры многопереходных устройств для минимизации потерь на термализацию, просветляющих покрытий (ARC) или апериодических диэлектрических отражателей (ADR) для увеличения поглощения.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают свой вариант ST-OPV, который достигает PCE = 10.8 0.6% и APT = 45.7 2.1%, что приводит к LUE = 5.0 0.3.
PCE* эффективность преобразования энергии (power conversion efficiency);
APT* средняя светопропускная способность (average photopic transmission);
LUE* эффективность использования света (light-utilization efficiency).
В устройстве используется NFA молекула NFA (нефулереновый акцептор) с высоким поглощением в ближнем ИК-диапазоне, для синтеза которой требуется всего несколько шагов. Несмотря на то, что NFA имеют частично ковалентно конденсированные кольцевые структуры (а не жесткие и полностью конденсированные), в них наблюдались сильные межмолекулярные взаимодействия и плотная упаковка молекул ().


Изображение 1

Комбинация материалов, поглощающих свет в ближнем ИК-диапазоне, выводных (выход фотонов из светодиода после генерации) структур (OC от outcoupling) на выходной поверхности и прозрачных электродов позволила достичь того самого компромисса между эффективностью, прозрачностью и эстетичностью.

Нейтральный по цвету ST-OPV с использованием прозрачного анода из оксида индия-олова (ITO от indium tin oxide) показал PCE = 8.1 0.3%, APT = 43.3 1.5% и LUE = 3.5 0.1%. Показатели света, проходящего через устройство, были таковыми: коэффициент цветопередачи (CRI) = 86; коррелированная цветовая температура (CCT) = 4143 K; хроматические координаты (0.38, 0.39).

Результаты исследования


На изображении показаны молекулярные структуры трех исследованных NFA, один из которых (а именно SBT-FIC) продемонстрировал полностью слившуюся молекулярную основу. Два других NFA (A078 и A134) с частично сплавленными ядрами являются изомерами SBT-FIC, содержащими четыре тиофена, два циклопентадиена и одно бензольное кольцо.

Одним из основных отличий между тремя NFA является сложность синтеза. На изготовление SBT-FIC требуется 10 этапов синтеза, а для создания A078 и A134 всего от 4 до 6 этапов. В дополнение к этому, A078 и A134 привлекательны еще и достаточно большим выходом, а также менее токсичными и более дешевыми материалами для синтеза.

Спектры поглощения NFA в УФ-видимом диапазоне показаны на и . Удивительно, но тонкие пленки A078 и A134 демонстрируют значительные батохромные сдвиги* ~ 135 нм по сравнению с SBT-FIC с пиком поглощения при max = 900 нм.
Батохромный сдвиг* смещение спектральной полосы в длинноволновую область под влиянием заместителей или изменений среды.
Циклическая вольтамперометрия NFA молекул показала, что у SBT-FIC энергии высшей занятой молекулярной орбитали* (ВЗМО) и низшей вакантной молекулярной орбитали (НВМО) составили EH = -5.81 ( 0.02) и EL = -4.15 ( 0.03) эВ. Для A078 показатели были: 5.58 ( 0.02) и -4.06 ( 0.03) эВ. А для A134: -5.54 ( 0.02) и -4.05 ( 0.03) эВ.
Молекулярная орбиталь* математическая функция, описывающая волновое поведение электронов в молекуле.

ВЗМО (высшая занятая молекулярная орбиталь) орбиталь, которая среди заполненных в основном состоянии имеет наибольшую энергию.

НВМО (низшая вакантная молекулярная орбиталь) полностью или частично вакантная молекулярная орбиталь с наименьшей энергией среди всех заполненных.
A078 и A134 демонстрируют более низкую ВЗМО-НВМО запрещенную зону (1.40 эВ), чем SBT-FIC (1.65 эВ), что согласуется с оптическими измерениями.

Далее NFA, смешанные с PCE-10, был использован в OPV со структурой ITO / ZnO (30 нм) / активный слой (100 нм) / MoO3 (20 нм) / Ag (100 нм).


Изображение 2

На графике показаны характеристики плотности тока и напряжения вышеописанных NFA+PCE-10.

В устройстве на базе A078 были достигнуты следующие показатели: PCE = 13.0 0.4%, VOC = 0.75 0.01 В, JSC = 24.8 0.7 мА/см2 и FF = 0.70 0.04.

Устройство OPV на основе A134 показало: PCE = 7.6 0.2% с VOC = 0.75 0.01 В, JSC = 16.7 0.5 мА/см2 и FF = 0.61 0.03.

Для устройства PCE-10: SBT-FIC показатели были такими: PCE = 7.8 0.3% с VOC = 0.70 0.01 В, JSC = 17.2 0.7 мА/см2 и FF = 0.65 0.02.

Стоит отметить, что добавка 1-фенилнаталена (PN) приводит к значительному повышению эффективности устройств A078 и A134 по сравнению с SBT-FIC, что связано с улучшенной молекулярной упаковкой A078 и A134, а также более благоприятной ориентацией молекул в смеси. Также видно, что устройство PCE-10:A134 показывает более низкий PCE по сравнению с OPV PCE-10:A078. Это связано с кристалличностью A134, что приводит к его более низкой растворимости.

График показывает спектры внешней квантовой эффективности* (EQE) различных вариантов устройства.
Квантовая эффективность* отношение числа фотонов, поглощение которых вызвало образование квазичастиц, к общему числу поглощенных фотонов.
Значительное улучшение JSC для A078 по сравнению с SBT-FIC OPV связано с его красным смещением* поглощения на ~200 нм, которое обеспечивает охват солнечного спектра дальше в NIR.
Красное смещение* явление, когда увеличивается длина волны излучения (свет становится более красным, например), а частота и энергия уменьшаются.
EQE A078 OPV достигает 80%, между = 700 и 900 нм, оставляя окно прозрачности между видимыми длинами волн от 400 до 650 нм.


Изображение 3

На графиках - показаны профили различных устройств на базе чистых пленок NFA и смеси PCE-10:NFA с/без добавления 1-фенилнаталена.

При добавлении 1-фенилнаталена показатель поглощения пленки PCE-10:NFA практически не меняется. А вот в смесях PCE-10:A078 и PCE-10:A134 обнаружен новый ярко выраженный пик агрегации около 900 нм. Это указывает на то, что добавка 1-фенилнаталена усиливает межмолекулярные взаимодействия на частично связанных акцепторах, а не на полимерном доноре.

Далее были изучены морфологические свойства разных вариантов устройства.

A078 демонстрирует широкий (100) пик дифракции при 0.31 1 с длиной ламеллярной когерентности Lc = 7.5 нм. В случае A134 пик дифракции был более узким и острым при 0.36 1 с более высоким значением Lc = 15 нм. Из этого следует, что у A134 более высокая упорядоченность, чем у A078, что объясняется заменой объемной боковой цепи молекулы п-гексилфенила компактными линейными алкильными цепями.

SBT-FIC в свою очередь показывает дифракционный пик при 0.34 1 с наименьшей длиной ламеллярной когерентности Lc = 3.7 нм из-за его аморфной природы.

За счет добавления 1-фенилнаталена дифракционные пики (010) PCE-10:A078 и PCE-10:A134 (3E) при 1.79 и 1.82 1 (из-за NFA) смещены и показывают увеличенную длину когерентности (24 против 52 для A078) и (30 против 63 для A134).

А вот внесение добавок в PCE-10 никак не влияет на значение когерентности. Это подтверждает, что морфологические отличия между вариантами устройства происходят от NFA, а не от донора.

Кроме того, при использовании 1-фенилнаталена была обнаружена зависимость от ориентации молекул (параллельная или перпендикулярная). Для PCE-10:A078 отношение параллельная/перпендикулярная увеличивается с 2.37 до 3.64 (3D). Ввиду того, что параллельная ориентация молекул является идеальной для переноса заряда, становится очевидным, почему именно устройство A078 обладает столь высокой эффективностью (по сравнению с другими вариантами).

Ввиду этих данных именно A078 был использован в исследуемых полупрозрачных фотоэлектрических элементах (ST-OPV), структура которых выглядела следующим образом: ITO / ZnO (30 нм) / PCE-10:A078 (95 нм) / MoO3 (20 нм) / Ag (16 нм).


Изображение 4

Полученный ST-OPV показал LUE = 2.8 0.1%, PCE = 11.0 0.7% и APT = 25.0 1.3%. Однако, несмотря на неплохой показатель PCE > 10%, применять данное устройство в архитектуре нельзя, так как там требуется, чтобы средняя светопропускная способность APT была ~ 50%.

Решить эту проблему ученые смогли за счет специально разработанной структуры для управления оптическими свойствами устройства, позволяющей достичь максимального пропускания в видимом диапазоне и максимального отражения в ближнем ИК-диапазоне.

На анод из серебра было нанесено оптическое OC-покрытие, состоящее из четырех слоев: CBP (C36H24N2; толщина слоя 35 нм, коэффициент преломления 1.90) / MgF2 (100 нм, 1.38) / CBP (70 нм) / MgF2 (45 нм). А на дистальную поверхность стеклянной подложки наносили ARC (слой просветляющего материала), состоящий из бислоя MgF2 (120 нм) и SiO2 (130 нм) с достаточно низким коэффициентом преломления 1.12.

ST-OPV с OC и ARC продемонстрировал увеличение средней светопропускной способности (APT) с 25.0 1.3% до 45.7 2.1%, что является улучшением почти на 80% по сравнению с устройством без дополнительных слоев (т.е. без OC и ARC). Значение эффективности преобразования энергии (PCE) практически не изменилось (). Наблюдалось лишь незначительное уменьшение плотности тока (JSC = 20.4 0.8 против 20.9 1.2 мА/см2). При использовании данной конфигурации устройства эффективность использования света составила LUE = 5.0 0.3%. Данный показатель, по заявлению ученых, является самым высоким среди имеющихся на данный момент ST-OPV устройств.

Основные показатели разработанного устройства многообещающие, осталось изучить его внешний вид, что было сделано посредством смоделированного солнечного света (AM1.5G).

Свет, прошедший сквозь устройство с ОС и ARC покрытием, имел хроматические координаты (0.33, 0.39) и CCT = 5585 K. Тем временем, высокая отражательная способность ультратонкого катода из серебра при > 600 нм придает устройству зеленый оттенок. В отличие от Ag, ITO имеет более высокую прозрачность с плоским спектром пропускания в видимой области. Если использовать катод и анод ITO, то в результате можно получить более нейтральный оттенок.


Изображение 5

На графиках и фото выше показаны спектральные характеристики плотности тока, напряжения и EQE устройства ST-OPV на основе ITO со следующей структурой: MgF2 (120 нм) / стекло ITO / ZnO (30 нм) / PCE-10:A078 (105 нм) / MoO3 (20 нм) / напыление ITO (140 нм) / MgF2 (145 нм) / MoO3 (60 нм) / MgF2 (190 нм) / MoO3 (105 нм).

По сравнению с ST-OPV на основе Ag, устройство на основе ITO показывает различия в FF и VOC из-за его более высокой работы выхода* и поверхностного сопротивления (~ 50 Ом/квадрат).
Работа выхода* энергия, которую должен получить электрон для его удаления из объема твердого тела.
Но самые значимые отличия наблюдались в показателях JSC и PCE. Поскольку устройство становится все более прозрачным, отражение от ITO анода в тонкую активную область уменьшается, устраняя двойной проход фотонов. Чтобы свести к минимуму потерю фотонов низкой энергии, OC покрытие было специально разработано с максимальным пропусканием в видимой области спектра и более высокой отражающей способностью на более длинных волнах. Таким образом, устройство с OC покрытием имеет на 15% более высокие значения JSC и PCE по сравнению с ITO устройством без покрытия, хотя видимая прозрачность при этом практически не меняется.

ITO устройство с ОС покрытием демонстрирует LUE = 3.5 0.1%, PCE = 8.1 0.3% и APT = 43.3 1.5%, и имеет почти нейтральный оттенок. Также анализ трестируемого устройства показал, что оно передает цвет объекта за ним (5D).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


В городах полно домов (простите за очевидное), следовательно, множество окон. Использование их в качестве площадки для сбора солнечной энергии является весьма разумной, но сложной в реализации идеей. С одной стороны необходимо собирать максимум энергии, с другой суть окна в том, что оно прозрачное.

В данном труде ученые смогли продемонстрировать рабочий прототип устройства полупрозрачного фотоэлектрического элемента с PCE = 10.8 0.6%, APT = 45.7 2.1% и LUE = 5.0 0.3%. Другим словами, эффективность устройства составила 10.8%, а его прозрачность 45.8%. Основным достоинством данной разработки является баланс между этими показателями.

На данный момент эффективность использования света составляет порядка 5%, что уже хорошо, ведь предшественники могли выдать максимум 2-3%. Однако ученые намерены продолжить свой труд и достичь 7%. Еще одной задачей, которую они перед собой поставили, является продление срока службы устройства до 10 лет. Долговечные, эффективные и эстетически красивые фотоэлементы смогут превратить обычное офисное здание в своего рода солнечную электростанцию.

Хотелось бы сказать, что подобные исследования своевременны, однако это не так. Такими разработками, особенно столь массово, как сейчас, стоило заниматься намного раньше, не дожидаясь момента, когда предотвращение экологической и энергетической катастрофы превратится в разбор последствий. В любом случае подобные начинания, хоть и с опозданием, имеют огромную важность не только для будущего человечества, но и для будущего нашей планеты.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Цели ООН в области устойчивого развития и роль чистой энергетики в них

10.12.2020 02:18:51 | Автор: admin

В 2015 году Организация Объединенных Наций приняла повестку дня в области устойчивого развития до 2030 года. Программа состоит из 17 глобальных целей (ЦУР), направленных на ликвидацию нищеты, сохранение ресурсов планеты и обеспечение благополучия. Каждая цель содержит ряд показателей, которые должны быть достигнуты втечение 15 лет. Для ихдостижения 193 страны согласились приложить совместные усилия правительств, гражданского общества и бизнеса. Поопределению ООН, устойчивое развитие заключается втом, чтобы развитие нынешнего поколения нешло вразрез синтересами будущих поколений.

Для обеспеченияустойчивого развитиярешающее значение имеет согласованная реализация трех ключевыхкомпонентов: экономического роста, социальной интеграции и охраны окружающей среды.

Рассмотрим какой вклад в охрану окружающей среды принесет переход от сжигания углеводородного топлива к использованию энергии атома.

Переход к чистой атомной энергии взаимосвязан с четырьмя целями устойчивого развития:

7 Недорогостоящая и чистая энергия;

12 Ответственное потребление и производство;

13 Борьба с изменением климата;

15 Сохранение экосистем суши.

Глобальный экономический рост предусмотренный ЦУР 8 напрямую зависит от роста энергопроизводства в мире, однако обеспечить такое производство в масштабах планеты, при реализации ЦУР 7, 13 и 15, к 2030 году представляется в настоящее время недостижимым.

Чистые возобновляемые источники энергии за последние годы получили бурное развитие, однако масштабы такого развития недостаточны для перевода крупных промышленных объектов, авиа и автотранспорта, систем теплоэнергетики исключительно на данные виды энергогенерации. В мире не менее 80% получаемой энергии производится за счет сжигания углеводородов, что приводит к выбросу парниковых газов и изменению климата входя в противоречия с ЦУР 13. Ежегодные выбросы в атмосферу достигают 33,1 млрд. тонн СО2.

Единственной энергетикой, не меняющей климат и производящей ничтожно мало отходов, по сравнению с отходами углеводородных ТЭЦ, является атомная энергетика. Работающие в настоящее время реакторы используют в качестве топлива уран -235, запасы которого ограничены и вряд ли способны решить ЦУР 7.

Россия единственная страна в мире, где работают два промышленных реактора на быстрых нейтронах БН-600 и БН-800 в г. Заречный Свердловской области, в данном типе реакторов топливом является уран-238, запасы которого исчисляются миллионами тонн. Часть запасов хранится на предприятиях по обогащению урана в виде обедненного гексафторида урана. Правовой статус таких запасов не позволяет отнести их к промышленным отходам, так как имеется гипотетический потенциал их дальнейшего использования, но масштабы накопленных запасов таковы, что их реальное масштабное вовлечение в энергетический цикл возможно лишь при реализации крупнейших целевых программ государственного или даже мирового уровня.

Химически чистый уран-238, входящий в состав обедненного гексафторида урана, может служить идеальным исходным сырьем для реакторов на быстрых нейтронах. Накопленный в разных странах в значительном количестве, порядка 2 млн. тонн, в результате военных программ и развития энергетики на тепловых нейтронах обедненный гексафторид урана содержит колоссальные запасы энергии.

Оценим запасы энергии заключенные в накопленном в мире 2 млн. тоннах ОГФУ:

в 1 акте деления урана-238 выделяется 176 МэВ энергии

1 эВ=1,6*10-19Дж

1 деление урана-238 = 2,82*10-11Дж

238 грамм урана-238 содержит NA число атомов = 6,02*1023

при делении 238 грамм урана-238 выделяется 1,7*1013 Дж

нормируем на 1 грамм урана-238 = 7,1*1010Дж

2 млн. тонн ОГФУ = 2*106*103*103 грамм * 7,1*1010Дж = 1,4*1023Дж

Производство электроэнергии в мире в 2019 году составило 27*1015 Вт/ч

Запаса энергии в накопленном ОГФУ хватит на 1440 лет генерации электроэнергии на текущих уровнях.

Проведенные расчеты качественны, не учтено КПД установки, неполное выгорание топлива, замкнутый топливный цикл, наработка и использование плутония, и прочие допущения, однако общий вывод позволяет утверждать, что переход на атомную энергетику на быстрых нейтронах позволит обеспечить человечество генерацией чистой энергии на тысячи лет, при отсутствии выбросов парниковых газов. Переход на замкнутый топливный цикл сократит до минимума объем образования радиоактивных отходов, что полностью соответствует вышеопределенным целям устойчивого развития ООН.

Вовлечение в энергогенерацию накопленных объемов урана-238, в настоящий момент частью населения, воспринимаемого как промышленные отходы, будет способствовать улучшению климата, за счет отсутствия выбросов парниковых газов и продуктов сгорания углеводородов, сохранению экосистемы суши, так как отпадет необходимость разработки новых месторождений углеводородов. Энергетика будущего на быстрых реакторах позволит создать устойчивую сеть мощных источников энергии в таких странах как Китай и Индия переживающих резкий рост населения, но не имеющих достаточных энергоресурсов, все это будет способствовать устойчивому развитию в соответствии с целями и задачами ООН.

Подробнее..

Уголь грядущих веков когда водород заменит ископаемые энергоносители?

28.12.2020 14:06:07 | Автор: admin


Хотя коронавирус помог человечеству снизить вредные выбросы в атмосферу в I полугодии 2020 на рекордные 9%, экологам праздновать победу рано, потому что, как говорят сантехники, тут всю систему менять надо систему углеродной экономики, построенной на тотальном потреблении ископаемых энергоносителей. И если с новыми источниками мы определились (солнце и ветер), то с носителем их нестабильной энергии ещё нет. На эту роль претендует водород. В этот раз мы расскажем о его перспективах, а также о предсказании Жюля Верна, о ночном кошмаре Илона Маска, о самом большом в мире заводе зелёного водорода в Фукусиме и наших шансах на пенсии ездить до дачи на водородных электричках (шансы велики).

Построенное Toshiba предприятие Fukushima Hydrogen Energy Research Field в префектуре Фукусима самый крупный в мире опытный завод по производству водорода через электролиз. Работы велись в рамках проекта Hydrogen social construction technical development project/Hydrogen energy system technical development/Technical development concerning business model construction and the large-scale actual proof of a re-energy use hydrogen system японской Организации по разработке новой энергетической и промышленной технологии (NEDO).


Источник: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation

Жюль Верн в Таинственном острове в 1875-м году писал:
Вода? переспросил Пенкроф. Вода будет гореть в топках пароходов, локомотивов, вода будет нагревать воду?
Да, но вода, разложенная на составные части, пояснил Сайрес Смит. Без сомнения, это будет делаться при помощи электричества, которое в руках человека станет могучей силой, ибо все великие открытия таков непостижимый закон следуют друг за другом и как бы дополняют друг друга. Да, я уверен, что наступит день, и вода заменит топливо; водород и кислород, из которых она состоит, будут применяться и раздельно; они окажутся неисчерпаемым и таким мощным источником тепла и света, что углю до них далеко! Наступит день, друзья мои, и в трюмы пароходов, в тендеры паровозов станут грузить не уголь, а баллоны с двумя этими сжатыми газами, и они будут сгорать с огромнейшей тепловой отдачей. Следовательно, бояться нечего. Пока землю населяют люди, она их не лишит своих благ, ни света, ни тепла, она отдаст в их распоряжение растения, минералы и животных. Словом, я уверен, когда каменноугольные залежи иссякнут, человек превратит в топливо воду, люди будут обогреваться водой. Вода это уголь грядущих веков.
Хотелось бы мне поглядеть на всё это, заметил моряк.
Рано ты появился на свет, Пенкроф, вставил Наб, до тех пор не проронивший ни слова.


Инженер Сайрес Смит (на рисунке в центре) описывает не только водородную экономику. На страницах романа Жюля Верна Таинственный остров (1875 г.) он рассказывает, как добывать огонь без спички, определять долготу и широту, строить гончарную печь, делать нитроглицерин и гидроксил, свечи, сооружать гидравлический лифт и т.п. Источник: Rama / Wikimedia Commons

Скептично настроенный моряк из робинзонады Жюля Верна Таинственный остров действительно родился слишком рано, чтобы убедиться в точности прогноза Сайреса Смита. Цель превратить водород в уголь будущих веков в большинстве программ разных стран должна быть достигнута к 2030-2050 гг. Значит ли это, что человечество уже прошло, скажем, две трети пути к водородной экономике? Попробуем спрогнозировать, но сначала разберёмся с хронологией.

Началось всё в 1776 году с открытия водорода британцем Генри Кавендишем, который реакцией цинка и соляной кислоты получил этот бесцветный газ. В 1800 году его соотечественники Уильям Николсон и Энтони Карлайл впервые провели электролиз известную всем нам со школы реакцию разложения воды на водород и кислород с применением электричества.

Спустя 30 лет химик из Швейцарии Кристиан Шёнбейн и британец Уильям Грове провели обратный процесс получили электричество из водорода и кислорода, построив первые в истории топливные элементы на водороде с кислотным электролитом.

В XX веке стало больше прикладных исследований. В 1920-е гг. в немецкий инженер Рудольф Эррен реконструировал двигатели внутреннего сгорания грузовиков, автобусов и подлодок так, чтобы они могли работать на водороде и его смесях. А британец Джон Холдейн впервые предложил использовать энергию ветра для производства водорода электролизом.

Катастрофа дирижабля Гинденбург в 1937 году, а затем Вторая Мировая война прервали на время исследования в этой области, хотя водород активно использовался, к примеру, в блокадном Ленинграде.


Когда в Ленинграде закончился бензин, механик Борис Шелищ сумел перевести автомобильные двигатели на отработанный аэростатами водород. Источник: RIA Novosti archive / Wikimedia Commons

В 1970 году химик из США Джон Бокрис ввёл понятие водородной экономики, предложив питать электросети американских городов энергией солнца, а в качестве её носителя использовать водород.

Все эти годы доступный и практичный газ активно осваивали в промышленности. Правда, о его экологическом потенциале не задумывались, поэтому большинство оставшихся в наследство от индустриальной эпохи способов получения водорода хотя и недорогие, но грязные. О них далее.

5 оттенков водорода: для чего и как его добывают?


С тех пор как Джон Бокрис предложил превратить водород в энергоноситель, мировой спрос на этот газ увеличился в три раза и достиг 70 млн тонн в год. По разным оценкам, к 2040-м годам показатель возрастет до 100-200 млн тонн в год. По подсчетам Международного энергетического агентства (МЭА), для нефтепереработки вырабатывают 33% этого газа, для получения аммиака и минеральных удобрений 27%, для синтеза метанола 11%, а для удовлетворения нужд сталелитейной промышленности 3%.


Водород бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичный газ, но в смеси с воздухом или кислородом горюч и опасен. Источник: Toshiba Clip

А откуда берётся водород? Львиная доля добывается из природного газа (76%) и угля (23%). Из-за этого экологически безвредный H2 получается грязным для окружающей среды его производители выбрасывают в атмосферу столько же углекислого газа, сколько Великобритания и Индонезия вместе взятые. Чтобы раскрыть экологический потенциал водорода, его нужно производить иначе.

В последние годы сложилась цветовая классификация водорода по виду источника для его производства:
серый водород из природного газа;
синий водород из полезных ископаемых, но с применением технологии захвата углекислого газа (Carbon Capture and Storage, CCS), о которой мы рассказывали здесь.
чёрный водород из угля;
коричневый водород из бурого угля;
зелёный водород из возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Теперь посмотрим, как именно производятся разноцветные водороды и сколько это стоит.

Легче воздуха, но дороже доллара: сколько стоят разные виды водорода?


Начнём с ископаемых источников. Из природного газа водород производят реформингом преобразованием CH4 путем эндотермической реакции с использованием водяного пара. Минус этой технологии выбросы CO2, которые, впрочем, можно уменьшить до 90%, если применять технологии CCS.

Для справки: один кубометр водорода равен 0,08988 килограмма или 1,2699 литра и имеет примерно такую же энергетическую ценность, как треть литра бензина. Это означает, что сжигание 1 килограмма водорода высвобождает такое же количество энергии, как и сжигание 2,75 килограмма бензина.

Серый водород пока самый дешёвый. По данным МЭА, стоимость производства одного килограмма водорода 0,903,20 долл. США в зависимости от региона и технологии. Самая низкая цена на Ближнем Востоке (0,90 долл./кг), в США (1,00 долл./кг) и России (1,10 долл./кг) выручают низкие цены на природный газ. В Европе и Китае получается дороже: 1,73 долл./кг 1,78 долл./кг соответственно.

Синий водород, вырабатываемый из природного газа с применением захвата CO2, дороже. На Ближнем Востоке он обойдётся 1,45 долл./кг, в США 1,52 долл./кг, в России 1,64 долл./кг, в Европе 2,32 долл./кг, в Китае 2,38 долл./кг.


Чтобы снизить углеродный след от производства водорода, можно использовать технологии захвата углекислого газа. Принцип CSS на схеме. Источник: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation

Чёрный водород производят методом газификации переработки твердого или жидкого топлива путем его окисления. Так делают в основном в Китае, где много дешёвого угля. При производстве чёрного водорода выбросы CO2 увеличиваются в два раза по сравнению с серым. Но китайцев привлекает в нём цена один килограмм чёрного водорода стоит 1,10 долл., а с применением захвата CO2 1,50 долл.

Коричневый водород также можно вырабатывать газификацией, но бурый уголь пока редкость, поэтому говорить об усредненных ценах рано. Австралийцы хотят его использовать и, по их расчётам, стоимость одного килограмма коричневого водорода (с учётом CCS) составит 2,142,74 долл.

Конечную цену всех этих видов водорода в основном определяет стоимость сырья, и это главная проблема. Газ и уголь исчерпаемые ресурсы, их цена волатильна, а углеродный след очень заметный. Поэтому с каждым годом всё привлекательнее и для экологов, и для экономистов идея добывать энергоноситель из воды, покрывающей 70% поверхности Земли.

Зелёный водород: где его производить и сколько он стоит?


Электролизом пока производится менее 0,1% водорода, но именно этот метод предполагает использование возобновляемых источников энергии.

А энергии нужно много: по подсчетам МЭА, чтобы произвести электролизом текущий годовой объём водорода (70 млн тонн), нужно электричества больше, чем вырабатывает за год Евросоюз (3,60 тыс. ТВтч). Поскольку технология получается энергоемкой, стоимость зеленого водорода в основном зависит от цен на электричество.

К счастью, они снижаются: по данным Международного агентства по возобновляемой энергии (International Renewable Energy Agency, IRENA), в 2019 году средняя стоимость солнечного электричества снизилась на 13% до 0,07 долл./кВтч. Энергия морского и сухопутного ветров подешевела на 9% соответственно до 0,05 долл./кВтч и 0,12 долл./кВтч. Электричество, выработанное из ископаемых источников, в среднем оценивается в 0,066 долл./кВтч.

Когда на Земле истощатся запасы воды, на электролиз пойдут запасы виски, пива, энергетиков и газировки. Источник: YouTube-канал Inventor

Со второй составляющей потенциального электролитического чуда (водой) попроще: на один килограмм водорода нужно девять литров воды. Соответственно, чтобы получить годовой объём водорода, понадобятся 617 млн куб. м воды 1,3% мирового потребления H20 энергетикой. Вода нужна пресная, а морскую воду придётся деминерализовать. Впрочем, к цене одного килограмма водорода это добавляет всего 0,01-0,02 долл.

Сколько в итоге стоит зелёный водород? По данным Совета по водородной энергетике (Hydrogen Council), сейчас его цена в среднем равна 6,00 долл. за кг. МЭА даёт такую вилку: 3,007,50 долл./кг. Есть факторы, которые сильно влияют на стоимость зелёного водорода. Прежде всего, это регион.


Самые перспективные уголки планеты для водорода на возобновляемых источниках энергии это Патагония, Северная Африка, Ближний Восток, Монголия, Австралия, Китай, США и Новая Зеландия. Здесь стоимость зеленого водорода составит 1,60-2,40 долл./кг. Источник: International Energy Agency

Второй фактор масштаб производства. Чем он больше, тем ниже конечная стоимость зелёного водорода. И поэтому, хотя Япония небольшая страна, земли для самого большого в мире завода по производству водорода на солнечной энергии компании Toshiba власти префектуры Фукусима не пожалели

Реально мирный атом: зачем в Фукусиме построили самый большой водородный завод в мире?


По подсчётам Совета по водородной энергетике (Hydrogen Council), чтобы один килограмм зелёного водорода стоил 1,00-2,00 долл., к 2030 году, нужно увеличить его производство до 12 млн тонн в год. Чем больше масштаб производства, тем ниже его удельные затраты.

Чтобы понять, как большое производство водорода можно интегрировать в существующую энергосистему, компания Toshiba построила самый крупный в мире опытный завод по производству водорода через электролиз, который питает энергия солнечной электростанции (СЭС). Он называется Fukushima Hydrogen Energy Research Field, FH2R. Завод находится в посёлке Намиэ (преф. Фукусима) и занимает площадь 220 тыс. кв. м. Он состоит из солнечной электростанции мощностью 20 МВт и электролизера с входной мощностью 10 МВт.


Помимо СЭС, завод питает обычная электросеть. ВИЭ могут давать энергию с избытком, и лишний водород можно запасать для поддержания электролиза в периоды минимальной активности солнца или ветра. Но не в столь солнечной стране как Япония Toshiba решила использовать электросеть, чтобы найти экономический баланс между альтернативным традиционным источниками тока. Источник: International Energy Agency

Опытный завод FH2R будет производить до 900 тонн водорода в год для питания машин и автобусов на топливных элементах, а также для собственных нужд. Выработка достигнет 1,20 тыс. куб. м в час, то есть в сутки продукции завода хватит на заправку 560 водородомобилей и энергию для 150 домов.

Кстати, о транспорте. Путь к водородной экономике, скорее всего, лежит через баки личных авто, автобусов и грузовиков, где водород заменит бензин. Как и когда это произойдёт?

Ночной кошмар Илона Маска: победят ли водородомобили Теслу?


Машины на топливных элементах программа минимум водородной революции. Такой транспорт в центре внимания программ большинства принявших их стран.

Водород содержит больше энергии на единицу массы, чем природный газ или бензин, что делает его привлекательным в качестве транспортного топлива. Из плюсов ещё быстрая заправка (в отличие от электрокаров), больший запас хода (около 400 км при средних 250 км у электромобилей), низкий вес сырья, отсутствие выбросов CO2, более экологичная и простая утилизация топливных ячеек по сравнению с батареями электрокаров.

Сейчас по миру ездят более 25 тыс. машин на водороде в два раза больше чем в 2018. В основном это Toyota Mirai (о которой мы однажды <ahref=habr.com/ru/company/toshibarus/blog/430372>писали здесь, на Хабре), Hyundai Nexo и Honda Clarity Fuel Cell, хотя в Китае доминируют автобусы и грузовики. Но водородомобилей гораздо меньше, чем их прямых конкурентов электрокаров на батареях, число которых приблизилось к 7,2 млн. Почему?

Во-первых, водородные машины дороже. К примеру, Toyota Mirai стоит 58,5 тыс. долларов США, а Tesla Model 3 35 тыс. долл. Дорогими выходят два основных компонента водородомобиля топливные элементы и бак. Однако и эта проблема в перспективе будет решена увеличением масштабов производства. Если сейчас стоимость топливной ячейки для водородной машины составляет 230-180 долл/кВтч, то при увеличении их выпуска с 1 тыс. до 500 тыс. единиц в год она снизится до 45 долл/кВтч. Цена водородного бака при таком же увеличении масштаба снизится с 23 долл/кВтч до 14-18 долл./кВтч.


В Toyota Mirai два водородных бака общим весом почти 88 кг. Водород в них хранится под давлением в 70 МПа. Источник: Mariordo / Wikimedia Commons

Во-вторых, есть проблема с заправками: их мало 25 тыс. водородомобилей заправляются на 470 станциях, большая часть которых находятся в Японии (113), Германии (81) и США (64). Впрочем, со временем проблему решит развитие сети заправок.

Теперь о расходах на топливо. К примеру, в Германии 1 кг водорода на общественных заправках стоит 9,50 евро. Автомобиль на топливных элементах потребляет примерно один килограмм водорода на 100 км. Таким образом, затраты на топливо сопоставимы со средним бензиновым автомобилем, который потребляет 7 литров на 100 км.

В сумме капитальные и текущие затраты на водородомобиль оцениваются экспертами МЭА примерно в 0,65 долл./км, тогда как у электромобилей он составляет порядка 0,58 долл./км., но в перспективе они сравняются. По прогнозу Совета по водородной энергетике, личные авто станут конкурентоспособными к 2030 году при снижении цены водорода до 2,00 долл./кг. А что с другими областями применения водорода?

Резюме: когда начнётся эпоха водорода (и начнётся ли вообще)?


Эксперты Совета по водородной энергетике посчитали, при какой цене за килограмм водород станет конкурентной альтернативой другим энергоносителями с малым углеродным следом.


Водород уже незаменим в качестве сырья в промышленности, а в будущем его перспективы связаны с транспортом и поставками тепло- и электроэнергии для гражданских и промышленных потребителей. Источник: Path to Hydrogen Competitiveness. A Cost Perspective // 20 January 2020, Hydrogen Council

Когда цена килограмма водорода опустится до 4,00-5,00 долл., конкурентоспособными станут грузовики и автобусы, курсирующие по длинным маршрутам. Причём это может произойти уже через 5 лет. С личными авто и фургонами ситуация иная: даже если цена водорода снизится, их стоимость может остаться высокой относительно электрокаров. Тогда покупать водородомобили будут только автомобилисты с приоритетами быстрой заправки и те, кто использует авто очень интенсивно, например, таксисты. Чтобы превратить маленькие авто в конкурентов Tesla, нужно снизить цену водорода до 1,00-1,50 долл./кг.

А вот электрички на топливных элементах уже вполне могут тягаться с обычными на маршрутах до 50 км с высокой частотой рейсов. Чтобы они сохранили привлекательность, доля расходов на топливо должна упасть с текущих 40-50% до 20-30%, что может произойти при цене 4,5 долл./кг водорода к 2030 году.

Совсем скоро (примерно к 2023 году) могут завоевать мир погрузчики, которые уже сейчас активно используются в Китае при цене 1 кг водорода в 7,00-9,00 долл.

По трубопроводам водород можно подавать в жилые здания. В этом случае он сможет заменить для электричества и отопления домов природный газ с применением технологии захвата углекислого газа. При снижении цены до 3,00-5,40 долл./кг водород становится более выгодным, чем другие системы отопления, скажем, на биометане. Но с природным газом без CCS водород справится только если будет стоить меньше 1,00 долл./кг. В качестве источника электроэнергии топливные ячейки на водороде станут конкурентными при цене 1,90 долл./кг.

Итак


Как видим, полностью водородной экономика к середине этого века всё же не станет. По прогнозу Международного совета по водороду, при цене 1,8 долл./кг водород сможет покрывать до 15% мирового спроса на энергию к 2030 году, а к 2050 году 18%. По-видимому, мы, как и жюльверновский моряк Пенкроф, родились слишком рано, чтобы увидеть, как водород станет углем эпохи. Скорее всего, этот газ будет играть важную роль в многофакторной энергетике и действительно заменит ископаемые в некоторых регионах и сферах применения, но ему ещё долго придётся конкурировать с другими источниками и носителями энергии.
Подробнее..

Измеряем солнце. ВАХ солнечных панелей своими руками

30.05.2021 14:10:27 | Автор: admin

Я провожу бесплатные обследования солнечных станций, в результате чего в меня летят тапки мне делают замечания, что для предъявления гарантийных претензий нужно измерять именно падение мощности солнечной панели, к которой в основном и привязана гарантия. Так я пришел к необходимости обзавестись собственным прибором по снятию ВАХ ( IV Curve ) солнечной панели. Как сделать его самому за ~100$, и что это даёт - далее

Вступление

К сожалению, тестирование солнечных панелей даже профессиональным прибором, не является достаточным условием для производителя. Для полноценного юридического статуса и возможности вести диалог на равных с производителями солнечных панелей, нужно пройти сертификацию TV SD. Ни одной сертифицированной лаборатории в Украине нет. Я писал в головной офис TV SD, но наверно что то пошло не так.

Итого - выбросить >1К$ за красивую игрушку (без сертификации) смысла не было, алгоритм построения ВАХ расписан детально, отчего бы не построить свой велосипед прибор?

Но пока я читал про алгоритмы, то набрёл на IV Swinger 2, где сделали уже мопед создание которого расписано пошагово и очень чётко. При этом создатель инструкции очень толковый и общительный человек, за что ему отдельное спасибо.

Характеристики этой модификации покрывают все современные панели, в отличии от старых версий профессиональных измерителей. Снятие ВАХ солнечной панели занимает не более пары секунд. Единственным минусом является слабая масштабируемость по напряжению, и одним махом измерить параметры всего стринга солнечных панелей им нельзя, только отдельного экземпляра. Но даже сняв параметры всего стринга, всё равно нужно найти ту самую панель, которая так повлияла на общий результат, а ведь это именно то, что мы уже умеем!

Сборка

Далее процесс простой, но растянутый во времени.

Ждем платы

и детали

паяем и тестируем.

Инструкция настолько подробная, что аж скулы сводит сборка напоминала конструктор лего.

Беда пришла откуда не ждали.

Для более точной настройки, а мне очень хотелось утереть нос владельцам приборов за 1К получить максимальную точность, есть возможности дополнительной точной калибровки. Для этого нужен блок питания на 100 В, который у меня как раз применяется для электролюминесценции.

Самое обидное, что статью http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/537612/ я читал буквально накануне, но пробежал как то по диагонали, подумав что это не про меня, спойлер - не угадал. Рекомендую прочитать её, это может быть и про Вас.

Итого накрылась материнка и свежесобранный прибор, которым я успел проверить только пару аккумуляторов. Все детали, кроме плат, я заказывал впритык, поэтому еще минус пару недель, на повторную доставку сгоревших компонентов.

Первые тесты

Желание провести первый реальный тест распирало, поэтому погодные условия не брались в расчёт.

Долгожданный первый результат. Вот так работает панель на 320 Вт зимой.

С наступлением солнечной погоды, был проведен ряд более полезных тестов, для проверки влияния того или иного типа повреждения и/или затенения на работу солнечной панели.

Естественное затенение

Снять параметры панели не успел, затенение отказывалось позировать.

Частичное жёсткое (обычно похожее дают расположенные вплотную дымоходы и прочие естественные преграды)

И наиболее часто встречающаяся в реальности тень - от проводов.

И да, это так подрос главный помощник из самой первой части, с КДПВ.

Основные проблемы, которые могут быть с солнечными панелями, и какой вид при этом должна принимать ВАХ я расписал в статье.

Натурные испытания

Опять потянулся длительный период ожидания хорошей погоды, и спустя лишь много лет пару недель я смог приступить к измерениям на своей солнечной станции.

Внимание! Высокое напряжение!

Все дальнейшие действия нужно выполнять при чётком соблюдении правил техники безопасности, во избежание встречи с праотцами 20 см дуги постоянного тока напряжением 800 В и током в 10 - 25 А.

Обесточиваем солнечную электростанцию, размыкаем стринги, проверяем. И только после этого переходим к следующему этапу.

ВАХ солнечной панели мощностью 280 Вт, эталон, не затенённый

Тень от оптоволокна

Тепловизор практически ничего не видит

ВАХ солнечной панели с тенью и без тени практически не отличается. Можно списать на разброс как в самих панелях, так и точности измерения.

Тень от проводов

Тепловизор сигнализирует о проблеме

ВАХ тоже сигнализирует о проблеме

К сожалению, стринг который у меня затеняется, отличается от остальных по к-ву панелей. Поэтому измерить точное влияние данного затенения на падение мощности всего стринга нельзя. Методом расчетов на коленке по аналогии с соседними стрингами, у меня вышло порядка 5% потерь. Инвертор умеет снимать ВАХ всего стринга, но для это нужна корпоративная лицензия, которую мне обещал представитель вендора еще с осени, в виде исключения, но как то пока не сложилось, увы.

Затенение на панелях, в моём случае, проходит после 11 часов дня, и проявляется только в осенне - весенний период.

А это я подловил выход солнца из-за долгой тучи. Панель уже успела остыть, и кратковременно показала чудеса.

Итоги:

Я использовал метод сравнительного анализа, при котором снимались данные с соседних панелей. Для абсолютных значений, нужно приобрести термометр и люксметр, и впоследствии приводить результаты к STC. В плате и программе предусмотрено их подключение. Даже на визуально чистом небе, может появляться невидимая глазу дымка, которая влияет на конечный результат.

Прибор получился довольно компактный и точный. Повторяемость результатов у меня была с точностью до 1 Вт.

К основным минусам стоит отнести трудоемкость процесса снятия показаний - станцию нужно обесточить, получить доступ к проводам от конкретной панели, что довольно часто невозможно, без полного демонтажа.

Если у Вас есть сомнения в работе своей солнечной станции, этот или аналогичный прибор считаю крайне необходимым и востребованным. Опять же, местные поставщики, подтверждают гарантию и по не сертифицированным приборам.

Наработки и результаты обследования солнечных станций я начал выкладывать в своём блоге. Для желающих углубиться в тему - есть так же живой форум по домашним солнечным электростанциям, присоединяйтесь.

Всем мира и солнечного неба над головой!

Подробнее..

Категории

Последние комментарии

  • Имя: Макс
    24.08.2022 | 11:28
    Я разраб в IT компании, работаю на арбитражную команду. Мы работаем с приламы и сайтами, при работе замечаются постоянные баны и лаги. Пацаны посоветовали сервис по анализу исходного кода,https://app Подробнее..
  • Имя: 9055410337
    20.08.2022 | 17:41
    поможем пишите в телеграм Подробнее..
  • Имя: sabbat
    17.08.2022 | 20:42
    Охренеть.. это просто шикарная статья, феноменально круто. Большое спасибо за разбор! Надеюсь как-нибудь с тобой связаться для обсуждений чего-либо) Подробнее..
  • Имя: Мария
    09.08.2022 | 14:44
    Добрый день. Если обладаете такой информацией, то подскажите, пожалуйста, где можно найти много-много материала по Yggdrasil и его уязвимостях для написания диплома? Благодарю. Подробнее..
© 2006-2024, personeltest.ru