«Разработка автономной солнечной электростанции для питания слаботочных систем освещения»
жүктеу/скачать 2,89 Mb. Pdf көрінісі
|
Нагаев Д.А. ЭЭТм 1705а
|
4 ВВЕДЕНИЕ Невозможно представить себе жизнь современного человека без ис- пользования энергетических ресурсов. Компьютеры, телефоны, бытовая тех- ника и другие электроприборы - все это то, без чего современный человек не может обойтись в течение дня. Процесс обеспечения потребителей энергети- ческой энергией носит название энергоснабжение. Важно рационально ис- пользовать энергетические ресурсы [1-4]. Экономия энергоресурсов, в том числе не возобновляемых, является ключевым звеном в экономике. Кроме того, экономия таких ресурсов ведет и к экономии денежных средств. Для выявления эффективности использования энергетических ресурсов и разработки мер для снижения затрат предприятия проводят инструментальное обследование системы электроснабжения или энергоаудит. Солнце– это безлимитный источник энергии. Энергию солнца можно использовать для независимого питания любых слаботочных потребителей электрической энергии [5-6]. В наше время в мире присутствует необходимость в экологически чи- стых источниках энергии. Например, солнечная энергия, в отличие от нефти, газа, угля и др. – является экологически чистым ресурсом. При создании электроэнергии с использованием солнечных электростанций в атмосферу не выбрасываются парниковые газы. К тому же, поскольку солнце производит большее количество энергии, чем нам когда-либо понадобится, то электриче- ство, полученное от солнечной энергии, является очень важным источником при переходе на экологически чистое производство [7]. Альтернативная энергетика может помочь с решением проблемы полу- чения дополнительной энергии. Во всем мире начинают развиваться авто- номные малые энергетические установки. С помощью них происходит полу- чение возобновляемой энергии. Для решения диссертационной проблемы можно использовать энергию ветра и/или энергию солнца. 5 Энергия ветра преобразуется в электричество за счет использования ветряков. Если установить ветрогенераторы в городе массово, то они, теоре- тически, могут уменьшить скорость движения воздушных масс. Город Толь- ятти не может похвастаться экологичностью. Наличие ветра позволяет уне- сти опасные загрязненные массы воздуха в другое место. Снижение скорости движения воздушных масс может изменить климат в регионе на более континентальный. Это связано с тем, что движущийся бо- лее медленно воздух успеет сильнее нагреться летом и меньше остыть зимой. Медленные потоки воздуха могут повлиять на величину влажность террито- рий. Так же ветроустановки генерируют шум. Они опасны для животных и птиц. Ветроустановки содержат подвижные части. Это влияет на уровень надежности генераторной установки. Если выполнить сравнение ветряной энергетики и солнечной энергети- ки, учтя все минусы ветряков, то выбор исследования падает на солнечные электростанции. Энергетика, основанной на энергии солнца, считается безопасным зе- леным видом энергии. Некоторые ученые считают, что массовая установка солнечных электростанций может поменять рассеивающую способность Земли (альбедо). Это может изменить климат на всей планете. Однако, это не подтверждено [8-15]. Итак, выведем основные требования для солнечной электростанции: 1. Автономная работа; 2. Возможность применения в выбранной климатической зоне; 3. Минимальный срок окупаемости при сопоставимом качестве компонентов; 4. Срок службы – максимально большой; 5. Зеленая энергия. Для данных требований как-никак подходит солнечная электростанция. Появление солнечной энергетики, как таковой, связано с бесплатно- стью и общедоступностью энергии. Источником этой энергии является солн- 6 це. Ученые с давних времен пытались «приручить» солнце на пользу челове- чества. В 1873-ем году Уиллоуби Смит определил, что селен чувствителен к солнечному свету. Однако, объяснить это явление у него не получилось. В 1877-ом году двое ученых – Дэй и Адамс заметили влияние солнца на селен. Объяснить это явление им так же не удалось. Чарльз Фриттс смог применить эффект воздействия солнца на селен для хозяйственных потребностей, но физика процесса не была описана. Разработанный в те годы прототип сол- нечной панели имел низкий КПД и был забыт. В 1905-ом году Альберт Эйнштейн приложил руку к солнечным бата- реям. Он объяснил физику процессов, происходящих при фотоэффекте. На этом принципе и работают солнечные панели. Электрические справочники говорят, что первая солнечная батарея была сконструирована в 1954-ом году. Солнечная панель была изготовлена на основе кремния учеными: Гордоном Пирсоном, Дериллом Чапином и Кэлом Фуллером. В то время КПД панели был меньше 5%. Год за годом характеристики солнечных панелей улучшались. В насто- ящее время уже изготавливаются солнечные панели с КПД до 44,7%. В сред- нем КПД панели составляет около 15%. Развитые страны начинают перехо- дить на солнечную энергетику, объясняя это экологичностью, бесплатностью и повсеместной доступностью. Типовая солнечная панель площадью 1 м 2 в солнечный день выдает мощность до 120 Вт. Этого достаточно, чтобы запитать 100 Вт лампочку. Чайник, подключенный к такой панели, не сможет вскипятить воду. Для ра- боты чайника мощностью 2000 Вт необходимо 20 солнечных панелей, т.е. около 20 м 2 открытого солнечного пространства. Для создания мегаваттных электростанций требуются большие освещенные солнцем пространства. До- полнительное оборудование: инвертор, аккумуляторы, контроллер так же требуют некоторого места для их размещения. Проблема с пространством в настоящее время решается: солнечные панели размещают в необжитых райо- 7 нах, в пустынях или устанавливают на высотах выше 2 метров. Это позволяет использовать земли под ними для сельского хозяйства. Развитие солнечной энергетики натыкается на ограничение уровня технологий. Первым шагом для применения солнечной энергии является за- питывание слаботочных потребителей. Именно так можно доказать, что сол- нечная энергетика может быть автономной и децентрализованной. За последние 15 лет стоимость солнечных панелей упала с 12 до 2 дол- ларов за 1 Вт вырабатываемой энергии. Важно заметить, что солнечная энер- гия фактически является бесплатной. В долгосрочной перспективе рассмат- риваемая электроэнергия станет сверхприбыльной [16]. Максимальная активность солнца наблюдается днем. В этот период времени солнечная панель генерирует максимум энергии. Суточный график потребления электроэнергии говорит о том, что максимальное потребление электричества наблюдается вечером. Появляется несоответствие между ин- тервалами выработки максимума электрической энергии солнечными пане- лями и интервалами максимального потребления электричества [17-19]. Неблагоприятные погодные условия могут вывести из строя солнеч- ную электростанцию. Потребуются дополнительные затраты на защиту пане- лей от града или сильных бурь. Солнечные панели большой мощности имеют большие габариты, т.е. высокую парусность. Порыв ветра легко сломает та- кую панельку без дополнительной защиты. Для питания потребителей вечером, ночью и утром электроэнергию необходимо запасать днем. Существуют различные подходы в хранении энергии: аккумуляторные батареи, преобразование электрической энергии в кинетическую энергию (вращение массивного тела), преобразование элек- трической энергии в потенциальную энергию (запасаем жидкость высоко над землей), электричество в энергию сжатого газа [20-22]. Целью данной работы является разработка автономной солнечной электростанции, способной выполнять электроснабжение слаботочных си- стем освещения при отсутствии электричества до 24 часов [23-24]. 8 Согласно ПУЭ, отключение электроэнергии у потребителей 3-ей кате- гории возможно на время ремонта - до 24 часов. Для решения данной цели необходимо выполнить ряд задач: 1. Анализ способов преобразования солнечной энергии в электроэнер- гию и выбор наиболее актуального. 2. Выбор компонентной базы для солнечной электростанции 3. Разработка системы хранения и преобразования энергии для под- держания независимой работоспособности солнечной электростанции в те- чении 24 часов. |