Применение солнечных батарей в изделиях морской техники

Последнее десятилетие характеризуется резким увеличением объема использования солнечных батарей в изделиях и конструкциях морской техники. Это явление объясняется рядом важных причин, основные из которых:

• повышение цен на топливо;
• рост уровня техники, позволивший создавать надежные и экономичные элементы солнечных батарей;
• необходимость применения менее пожароопасных энергетических систем;
• более низкая трудоемкость обслуживания солнечных батарей по сравнению с другими источниками энергии;
• возможность работы солнечных батарей в течение длительного времени без обслуживания.

Рассмотрим основные области применения солнечных батарей в изделиях морской техники.

Применение солнечных батарей в качестве источника энергии на катерах

Научно-исследовательский филиал фирмы «Оистек» (Германия) при содействии Министерства исследований и технологии Германии спроектировал и построил в 1988 г. катер с панелями из солнечных элементов. Применение таких установок поможет решить проблему экологического загрязнения курортных закрытых водоемов. Длина катера 7,2 (7,32) м ширина 2,2 (2,3) м, осадка 0,3 м, водоизмещение 1,4 (1,7) т (здесь и далее в скобках приведены менее достоверные данные). На крыше рубки и каюты катера установлено 18 панелей солнечных фотоэлементов (720 батарей) общей площадью 9 м2 и мощностью 1030 Вт (320 ячеек), подзаряжающих 10 свинцово-кислотных батарей. Управление подзарядкой аккумуляторов осуществляется электронной автоматической системой. Каждые 2—3 года электронные панели необходимо заменять. Гребной электродвигатель — асинхронный, трехфазный, четырехполюсный — работает через редуктор на трехлопастный гребной винт диаметром 0,4 м, установлен на вертикальной колонке и обеспечивает катеру при мощности 2,2 кВт максимальную скорость 6,5 (6,2) уз и крейсерскую 5 (4,6) уз. С отключенными панелями фотоэлементов аккумуляторные батареи позволяют поддерживать максимальную скорость в течение 4 (6) ч; при питании гребного электродвигателя от солнечных батарей движение катера с максимальной скоростью возможно в течение 12 ч, а с крейсерской — неограниченное время. Бортовой компьютер обеспечивает поддержание заданной мощности на валу и защиту батарей от избытка или недостатка энергии.

Катер построен на верфи «Хайврич Херпик Босетъярд» (Германия) и спущен на воду в апреле 1991 г. Этой же фирмой с участием политехнического института г. Констанцы (Румыния) разработан проект парома длиной 13 м и пассажировместимостью 25 чел. В конструкции рубки и палубы парома встроены солнечные элементы общей площадью 9 м² мощностью 900 Вт для подзарядки свинцово-кислотной батареи емкостью 105 А-ч, напряжением 120 В.

Максимальная скорость парома 6,5 уз. Отмечается, что использование солнечной энергии как для обеспечения хода, так и электропитания отдельных судовых устройств и систем на стоянке судна способствует сохранению окружающей среды (6].

Дочерним предприятием «Шоттел-Верфт» фирмы «СИСТЕК Гезелшафт фюр Системтехнологие» разработан проект и за кончена подготовка производства экологически чистых катеров с солнечными источниками энергии. Руководство фирмы предполагает, что первоначально катера будут эксплуатироваться в районах курортных зон, впоследствии, по мере совершенствования батарей и снижения их стоимости — повсеместно.

Применение солнечных батарей для освещения

Служба навигационной обстановки в Норвегии (Коэст Директорате) в течение шести последних лет использует для питания осветительных приборов навигационных знаков элементы, преобразующие солнечную энергию в электрическую, и никель-кадмиевые батареи. Такие знаки в количестве 78 ед. установлены у побережья Норвегии в труднодоступных (особенно в зимнее время) местах взамен знаков, в которых для освещения применялась газовая аппаратура. На основе анализа производства и расхода энергии в течение шестилетней эксплуатации знаков отмечается, что среднегодовое производство энергии солнечными элементами, работающими на зарядку никель-кадмиевых батарей, в 1,22 раза превосходит ее расход. Так, на одной из установок за период с 1981 по 1986 гг. получено 24 515 А-ч, израсходовано 11 005 А-ч. Срок службы аппаратуры около 20 лет. Технический осмотр необходим через 10 лет. В литературе приводятся таблицы и графики расхода энергии зимой и летом, а также технические характеристики одной из установок.

В Японии на полупогружном сооружении, установленном в глубоководном районе рыбных промыслов у северного побережья острова Окинава, в качестве источников энергии используются солнечные батареи, вырабатывающие 5 кВт-ч/сут.

В мировой печати в настоящее время обсуждаются принципы действия установок по переработке солнечной энергии в электрическую и рассматриваются тенденции развития солнечных батарей. Отмечаются конструктивные особенности наземных солнечных батарей и анализируются опыт применения и экономическая эффективность их эксплуатации в морских условиях. Подчеркивается, что использование солнечных батарей в морских условиях более экономично, чем в береговых. Приводятся данные по эффективности эксплуатации солнечных батарей в районе Средиземного моря с учетом затрат на их изготовление, транспортировку, размещение и обслуживание. Обосновывается вариант использования солнечных батарей, устанавливаемых на плавучих понтонах. Предложен вариант передачи электрической энергии, вырабатываемой солнечными батареями на Средиземном море, через Альпы в страны Центральной Европы. Сравниваются существующие и перспективные солнечные батареи, намечаются перспективные направления развития материалов для их изготовления.

Основные вопросы, с которыми сталкиваются специалисты — разработчики солнечных батарей, — это необходимость дальнейшего совершенствования фотоэлементов, используемых для поглощения солнечной энергии, и элементов, применяемых для хранения накопленной энергии.

Фотоэлементы

Материалы для создания фотоэлементов, преобразующих тепловую энергию солнца в электрическую, начали активно разрабатываться около десяти—пятнадцати лет тому назад в связи с созданием солнечных батарей для космических спутников. Однако оказалось, что применение фотоэлементов, разработанных для космоса, нерентабельно для изделий морской техники.

В целях снижения массы без ущерба для прочности конструкции фотоэлементов для изготовления солнечных батарей используются сотовые композиционные материалы на основе алюминия, поликарбоната и полиэфиримида. Результаты испытаний батарей в различных условиях окружающей среды и вибрационных нагрузок показали, что силиконовые клеи для склеивания сотовых композиционных материалов превосходят клеи на полиуретановой и эпоксидной основе. Признано, что наиболее легким материалом, обладающим большой прочностью, является композитный материал, в котором соты состоят из полиэфиримида, а обшивки — из стекловолокнистого препрега.

Разработаны низковязкие прозрачные эпоксидные композиции, добавление к которым органических красителей позволяет добиться нужных спектральных характеристик. Отличительные особенности этих композиций — обширная область контролируемых коэффициентов рефракции и повышенная радиационная стойкость. Такие композиции находят широкое применение при изготовлении солнечных батарей.

Возможность создания высокоэффективных приводных систем для катеров, автомобилей и других транспортных средств с солнечными источниками энергии в значительной степени зависит от весовых и прочностных характеристик материалов, применяемых для их изготовления. В работе приведена сравнительная эффективность использования для этих целей различных пластиков, например, стекловолокно, эпоксидная смола, графитовое волокно, эпоксидная смола. Изучены также стекловолокнистые композиции с матрицами на основе полиэфирных смол и комбинированного связующего на полиэфир-полиутретановой основе. Из названных композиций методом роликовой прикатки были изготовлены и испытаны в различных условиях опытные образцы солнечных батарей полусферической формы диаметром 310 мм. Результаты испытаний показали, что панели из стеклокомпозятов в целом имеют на 25% большую массу, чем графитовые. Одновременно первые из них в два—четыре раза более стойки к ударам по сравнению со вторыми.

Аккумуляторные батареи

К основным недостаткам современных аккумуляторных батарей относятся значительные затраты на обслуживание и недостаточная экологическая чистота при эксплуатации.

В работе представлен обзор по разработке нового вида батарей, так называемых полимерных (изготовленных на основе полимеров). Жидкая фаза в этих батареях практически отсутствует, они удобны в эксплуатации и являются экологически чистыми. Однако, чтобы наладить производство полимерных батарей, необходимо решение ряда проблем, связанных с повышением их электрических характеристик за счет создания усовершенствованных анодов, катодов, сухих электролитов и конструкции в целом. Рассмотрены основные направления работ в области создания полимерных батарей: повышение стабильности и электропроводности электродов за счет увеличения чистоты полимеров, улучшение их морфологии, создание композиционных электродов, гибких тонких полимерных батарей с твердым полимерным электролитом.

Дан анализ технических возможностей аккумуляторных батарей из различных токопроводящих полимеров. Изложены основные принципы работы аккумуляторных полимерных батарей. Приведены рекомендации по выбору токопроводящих полимерных анодов и катодов. В зависимости от типа электронной проводимости полимерных материалов рассматривается три класса батарей. Определены характеристики аккумуляторных полимерных батарей на основе следующих полимерных материалов: полиацетилена, полианилина, поли-я-фенилена и гетеороцикляческих полимеров, в том числе поли-пирола и политиофена. Показано влияние конструктивных параметров описанных полимерных батарей на их эксплуатационные характеристики. Подчеркнута важность модификации полимерных матриц для улучшения свойств батарей. Прогресс в дальнейших разработках аккумуляторных полимерных батарей позволит сделать их более легкими, компактными, стабильными, долговечными.

В Японии разработаны и начинают находить применение аккумуляторные батареи без металлических деталей. В качестве материала для анода у них используется полипиррол-поливинилсульфат, а в качестве катода — окисленный полипиррол, активированый ионами хлорида. Новые батареи с электролитом из раствора хлорида калия дают начальный ток 1,4 мА при напряжении 1,3 В при разряде через сопротивление 1000 Ом. Через 80 мин входной ток батареи снижается до 0,3 мА при напряжении 0,3 В. Японские специалисты считают, что несмотря на относительно низкие показатели работы этих батарей на начальном этапе разработок в дальнейшем их характеристики и надежность могут быть многократно увеличены.