Реферат (Автономные системы тепло-электроснабжения с использованием ВИЭ)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана»

(МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Реферат
«Автономные системы тепло-электроснабжения с использованием ВИЭ »

Выполнил:

№ группы

Проверил:

Москва 2015-2016 уч. год

АННОТАЦИЯ

Автономные системы тепло-электроснабжения

17 стр, 1 таблица

Возобновляемая энергетика на сегодняшний день, является активно развивающейся отраслью электроэнергетики. На сегодняшний день существуют несколько автономных систем тепло-электроснабжения с использованием ВИЭ. Подробно рассматриваются: солнечные батареи и ветрогенераторы.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. Виды электроснабжения автономного тепло-электроснабжения 5

2. Солнечная батарея 6

2.1. История 6

2.2 Эффективность фотоэлементов и модулей 6

2.3 Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов 10

2.4 Срок службы 10

3. Ветрогенераторы 11

3.1 История 11

3.2 Развитие 11

3.3 Типы ветрогенераторов 12

3.4 Преимущества и недостатки разных типов ВЭУ 12

4. Заключение 14

Список используемых источников 15

ВВЕДЕНИЕ

Возобновляемая энергетика на сегодняшний день, является активно развивающейся отраслью электроэнергетики. В связи с парниковым эффектом, постоянно ухудшающимся экологическим состоянием в мире, сокращением и недостатком ископаемых ресурсов. Современная тенденция развития энергетики состоит в стремлении к сбалансированности энергорайонов, повышении надежности электроснабжения потребителей. Важное место в стратегии развития электроэнергетики занимают автономные системы электроснабжения (АСЭ). В последнее время АСЭ получают все более широкое распространение в системе электроснабжения не только специального, но и общего применения. Указанные системы используются почти во всех отраслях народного хозяйства, их крупнейшими потребителями являются топливно-энергетический, агропромышленный и машиностроительный комплексы страны. Области применения таких генераторов охватывают электроагрегаты (стационарные, судовые, передвижные) и управляемые электромеханические системы (строительно-дорожные, транспортные и самоходные машины, ветроэнергетические установки и малые ГЭС, генераторы, работающие на статические преобразователи частоты и электромашинно-разделительные агрегаты), системы бесперебойного питания ответственных потребителей, в том числе современные вычислительные комплексы.

1 Виды электроснабжения автономного тепло-электроснабжения

Основными источниками электроснабжения могут являться:

• генераторы

• ветрогенераторы

• станции и генераторы, работающие на дизельном топливе

• солнечная батарея

• электростанции газопоршневые и газотурбинные

• установки биогазовые

• электростанции комбинированные

Вполне естественно, что все вышеперечисленные источники в свою очередь можно разделить на топливные и альтернативные.

Для того чтобы не загрязнять окружающую природу а также для того чтобы существенно экономить, в основной своей массе используются именно источники альтернативные. Однако не стоит полагать, что при приобретении ветрогенератора либо батарей солнечных они окупятся моментально. Должно пройти три либо даже пять лет, прежде чем их владельцы начнут ощущать их экономичность. На данный момент подобные источники электроэнергии особой популярностью не пользуются, единственным исключением может являться небольшая гидроэлектростанция, которая будет эффективной только в том случае, если поблизости есть река.

2 Солнечная батарея

Солнечная батарея — несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.

2.1 История

Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фотохимиком армянского происхождения Джакомо Луиджи Чамичаном. 25 апреля 1954 года, специалисты компании Bell Laboratories заявили о создании первых солнечных батарей на основе кремния для получения электрического тока. Это открытие было произведено тремя сотрудниками компании — Кельвином Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller), Дэрилом Чапин (Daryl Chapin) и Геральдом Пирсоном (Gerald Pearson). Уже через 4 года, 17 марта 1958 году, в США был запущен первый спутник с солнечными батареями — Vanguard 1. Спустя всего пару месяцев, 15 мая 1958 года в СССР был запущен Спутник-3(рис.6), также с использованием солнечных батарей.

2.2 Эффективность фотоэлементов и модулей

Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли (AM0), составляет около 1366 ватт на квадратный метр. В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м². С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью от 9 до 24 %. При этом цена батареи составит около 1—3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях. В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала

Таблица 1

солнечный элемент с эффективностью 41,6 %. В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с эффективностью 39 %. В 2011 году калифорнийская компания Solar Junction добилась КПД фотоэлемента размером 5,5x5,5 мм в 43,5 %, что на 1,2 % превысило предыдущий рекорд. В 2012 году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba из полиметилметакрилата (оргстекла), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД системы при неподвижном положении панели составил 26—30 % (в зависимости от времени года и угла, под которым находится Солнце), в два раза превысив практический КПД фотоэлементов на основе кристаллического кремния. В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4х4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 %, а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Soitec, CEA-Leti и Берлинского центра имени Гельмгольца создали фотоэлемент, использующий линзы Френеля с КПД 44,7 %, превзойдя своё собственное достижение в 43,6 %. В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца. Перспективным направлением является создание фотоэлементов на основе наноантенн, работающих на непосредственном выпрямлении токов, наводимых в антенне малых размеров (порядка 200-300 нм) светом (т. е. электромагнитным излучением частоты порядка 500 ТГц). Наноантенны не требуют дорогого сырья для производства и имеют потенциальный КПД до 85%.

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях
Тип	Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
Кремниевые
Si (кристаллический)	24,7
Si (поликристаллический)	20,3
Si (тонкопленочная передача)	16,6
Si (тонкопленочный субмодуль)	10,4
Тонкие пленки халькогенидов
CIGS (фотоэлемент)	19,9
CIGS (субмодуль)	16,6
CdTe (фотоэлемент)	16,5
Аморфный/Нанокристаллический кремний
1	2
1	2
Si (аморфный)	9,5
Si (нанокристаллический)	10,1
Фотохимические
На базе органических красителей	10,4
На базе органических красителей (субмодуль)	7,9
Органические
Органический полимер	5,15
Многослойные
GaInP/GaAs/Ge	32,0
GaInP/GaAs	30,3
1	2
1	2
GaAs/CIS (тонкопленочный)	25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль)	11,7

2.3 Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов

Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры. Частичное затемнение панели вызывает падение выходного напряжения за счёт потерь в неосвещённом элементе, который начинает выступать в роли паразитной нагрузки. От данного недостатка можно избавиться путём установки байпаса на каждый фотоэлемент панели. Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используют контроллер управления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей.

2.4 Срок службы

Каждая система солнечных батарей автономного электроснабжения включает в себя: солнечные батареи (панели), контроллер заряда, инвертер и аккумуляторы. Мощность каждого компонента рассчитывается в зависимости от нужд потребителя. Срок службы солнечных панелей 40-50 лет, контроллера и инвертера 15-20 лет, аккумуляторов в зависимости от типа и характера использования - 4-10 лет.

3 Ветрогенераторы

Ветрогенератор — устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию.

3.1 История

История ветряков началась в Персии. Бескрайние пустынные просторы этого государства, обдувающиеся сухими ветрами, подтолкнули древних изобретателей использовать силу ветра на свое благо. До нас дошли лишь туманные описания первых ветряных мельниц, но судя по ним, проообраз современного ветрогенератора с его классической горизонтальной осью и вращающимися лопастями, был заложен еще в древности, а именно в 7 веке. Конечно, хрупкие конструкции с лопастями из легких пород дерева, обтянутые тканью, не пережили века, наполненные войнами и разрушениями. Правда существует и другая точка зрения, согласно которой, ветряные мельницы появились задолго до персидских - в древнем Китае. Китайцы известны своим поклонением ветру, их умение строить воздушных змеев приводит в эту страну тысячи туристов. К сожалению, утверждать о том, где же в действительности впервые появились ветряные мельницы, не представляется возможным.

3.2 Развитие

Индустрия домашних ветрогенераторов активно развивается, и за вполне умеренные деньги уже сейчас можно приобрести ветровую установку и на долгие годы обеспечить энергонезависимость своему загородному дому. Обычно для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне достаточно установки номинальной мощностью 1 кВт при скорости ветра 8 м/с. Если местность не ветреная, ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором, а ветрогенераторы с вертикальными осями могут быть дополнены меньшими ветрогенераторами (например, турбина Дарье может быть дополнена ротором Савониуса. При этом одно другому не мешает — источники будут дополнять друг друга).

Наиболее перспективными регионами для развития малой ветроэнергетики считаются регионы со стоимостью электроэнергии более $0,1 за кВт·ч. Себестоимость электроэнергии, производимой малыми ветрогенераторами в 2006 г. в США составляла $0,10-$0,11 за кВт·ч.

Американская ассоциация ветровой энергетики (AWEA) ожидает, что в ближайшие 5 лет себестоимость снизится до $0,07 за кВт·ч. По данным AWEA, в США в 2006 г. было продано 6807 малых ветровых турбин. Их суммарная мощность 17 543 кВт. Их суммарная стоимость $56 082 850 (примерно $3200 за кВт мощности). В остальном мире в 2006 г. были проданы 9502 малых турбины (без учёта США), их суммарная мощность 19 483 кВт.

Департамент Энергетики США (DoE) в конце 2007 года объявил о готовности финансирования особо малых (до 5 кВт) ветрогенераторов персонального использования.

AWEA прогнозирует, что к 2020 году суммарная мощность малой ветровой энергетики США вырастет до 50 тыс. МВт, что составит около 3 % от суммарных мощностей страны. Ветровые турбины будут установлены в 15 млн домах и на 1 млн малых предприятий. В отрасли малой ветроэнергетики будут заняты 10 тыс. человек. Они ежегодно будут производить продукции и услуг на сумму более чем $1 млрд.

В России тенденция установки ветрогенераторов для оснащения домов электричеством только зарождается. На рынке присутствуют буквально несколько производителей маломощных бытовых ветрогенераторов именно для домашнего использования. Цены на ветрогенераторы мощностью 1 кВт с полной комплектацией начинаются от 35-40 тыс. рублей (на 2012 год). Сертификация на установку данного оборудования не требуется.

3.3 Типы ветрогенераторов