Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

СОДЕРЖАНИЕ

С.

ВВЕДЕНИЕ 10

1 ВИДЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК 18

1.1 Общие сведения о солнечных энергоустановках 18

1.2 Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи, используемые в солнечных энергоустановках 21

2 СИСТЕМЫ СЛЕЖЕНИЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ ЗА ПОЛОЖЕНИЕМ СОЛНЦА 25

2.1 Способы и системы контроля ориентации ФМ 28

2.1.1 Системы ручной наводки на Солнце 29

2.1.2 Пассивные системы контроля 30

2.1.3 Активные системы контроля 31

3 УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ МАКСИМАЛЬНОГО ПОТОКА СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 34

3.1 Датчики, применяемые в преобразовании солнечной энергии в электрическую 34

3.1.1 Системы контроля без использования датчика 35

3.1.2 Датчик на эффекте Саньяка 36

3.1.3 Гелиотрекер 37

3.1.4 Датчик максимальной освещенности 43

3.1.5 Датчик сканирующий небосвод 45

3.1.6 Щелевые солнечные датчики 47

3.1.7 Экваториальный датчик 48

3.2 Датчики, применяемые в преобразовании солнечной энергии в тепловую 50

3.2.1 Термотрекер 50

3.2.2 Двигатель Стирлинга 51

3.2.3 Термомеханическая самонаводящаяся система контроля 52

3.3 Анализ способов, методов и датчиков контроля 52

4 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАБОТЫ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГОУСТАВНОКИ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ 55

4.1 Расчет мощности, вырабатываемый фотоэлектрическим модулем 55

4.2 Применение математической модели для оценки эффективности систем контроля ориентации ФМ 65

5 ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК 68

5.1 Разработка и макет фотоэлектрического датчика 68

5.2 Оптимизация конструкции фотоэлектрического датчика с использованием математической модели 72

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 78

ПРИЛОЖЕНИЕ 85

ВВЕДЕНИЕ

Одна из важнейших мировых проблем современности – энергетическая проблема. В связи с увеличением потребления электроэнергии и ограниченности запасов традиционных источников энергии появляется необходимость разработки и использования альтернативных источников энергии [1-8]. Помимо истощения запасов традиционных источников энергии, существует еще одна важная проблема их использования – загрязнение окружающей среды веществами, выбрасываемыми в атмосферу. Нарастают опасения по поводу экологических изменений, вызванных использованием традиционных источников энергии, в связи с чем проявляется все больший интерес к освоению новых возобновляемых источников энергии (ВИЭ), обладающих высокой эффективностью и не загрязняющих окружающую среду, а также отличающихся повсеместным распространением.

Совместное использование традиционных и возобновляемых источников энергии позволят повысить надѐжность энергообеспечения путем создания резервных источников энергии, снизить вредные воздействий на окружающую среду благодаря использованию экологически чистых возобновляемых источников энергии, решить проблему энергоснабжения потребителей, не подключенных к энергосистемам, занимающих в России более 70 % территории с населением около 22 млн. человек [6-8].

Возобновляемые источники энергии следует активно применять в районах, не охваченных системой централизованного энергоснабжения, из-за удаленности и низкой плотностью населения, в районах с дефицитом мощности, также в местах массового отдыха для улучшения экологической обстановки и местах сезонной работы, и пр. [6-8].

Среди возобновляемых источников энергии солнечная энергия представляется наиболее привлекательной [3-5]. Солнечная энергетика характеризуется максимальной простотой использования, наибольшими ресурсами, экологической чистотой и повсеместным распространением. Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана [6-9]. Эти обстоятельства определяют гелиоэнергетику как одно из наиболее перспективных направлений развития возобновляемой энергетики.

Достоинствами солнечной энергии является высокая надежность, отсутствие расходов на топливо, постоянное улучшение производительности, снижение затрат на производство гелиоприемников и отсутствие опасных загрязнителей или отходов.

К серьезным недостаткам использования солнечной энергии на сегодняшний день относится высокая стоимость получаемой электроэнергии по сравнению с традиционными источниками [9-11]. Это вызвано невысокой плотностью энергетических потоков и их непостоянством во времени, в результате чего приходится использовать дорогостоящее оборудование для сбора, аккумулирования и преобразования энергии. Однако в последнее время имеется тенденция снижения стоимости энергии солнечных установок, обусловленная научными достижениями в технологии их изготовления и ростом масштабов производства [9]. В тоже время повышение стоимости традиционных ископаемых источников энергии, вызванное их истощением и усложнением технологии добычи, делает экономически выгодным использование солнечной энергии в больших масштабах.

Применение солнечных электростанций (СЭС) не предлагается в качестве замещения традиционного энергоснабжения, а в качестве дополнительного источника энергии с целью вытеснения части органического топлива.

В статье [10] приведены результаты компьютерного моделирования СЭС, установленных в Калининграде и на Чукотке, которые доказывают, что СЭС с коэффициентом полезного действия (КПД) фотоэлектрического модуля (ФМ) 20 % и со стороной квадрата 25 км, позволяет вырабатывать электроэнергию 500 ТВт·ч круглосуточно с 1 апреля по 1 сентября. Это позволит удовлетворить все потребности России в электроэнергии в течение этих пяти месяцев. В марте и сентябре продолжительность электроснабжения составит 22 часа в сутки. Таким образом, россияне на 5-7 месяцев смогут практически отказаться от использования топливных электростанций и перевести их в разряд резервных. Авторами также предлагается сэкономленные природные ресурсы поставить на экспорт. Данная статья показывает перспективность использования солнечной энергии в России.

Применение СЭС наиболее актуально в изолированных от энергосистемы населенных пунктах. Замена дизельных генераторов на СЭС в таких регионах поможет облегчить энергетические и экологические проблемы, позволит сократить объемы потребления органического топлива, а также является экономически выгодной.

Актуальность темы исследования

В СЭС преобразователем солнечной энергии в электрическую энергию является ФМ. Энергия, полученная ФМ, а, следовательно, и выработанная энергия, напрямую зависит от количества солнечной радиации, пришедшей на его поверхность [12]. В зависимости от пространственной ориентации поверхностей ФМ возможно регулировать величину получаемой энергии. Получаемая энергия будет максимальна при падении солнечных лучей перпендикулярно поверхности ФМ. Применение системы слежения за Солнцем позволит постоянно направлять ФМ на самое «яркое пятно» на небе в течение дня, что позволит увеличить отбор мощности [13-14]. Система слежения выполняет роль системы контроля оптимальной ориентации ФМ (далее по тексту – системы контроля).

Степень разработанности темы исследования

Проведены математические расчеты и моделирование, подтверждающие эффективность их применения.

Согласно источнику [15], применение одноосных систем контроля позволит увеличить выработанную мощность ФМ на 20 % в Сиднее относительно стационарно установленного. Для Калифорнии прирост мощности составит 35 % при введении одноосной системы и 45 % – при двухосной [16]. Авторы статьи [17] доказали, что применение двухосной системы контроля позволит увеличить выработанную мощность ФМ на 34 %. Испытания двухосной системы во Франции [18] показали, что слежение за Солнцем по двум осям способствует увеличению выработанной мощности на 27 % относительно пассивных систем контроля (систем, основанных на программировании алгоритма поворота ФМ) и на 45 % относительно фиксированного ФМ.

Применение систем контроля ФМ является эффективным для всех географических положений, для которых были проведены подобные исследования, системы дают дополнительный прирост мощности до 45 %.

Использование гелиопотенциала для энергетических целей считается целесообразным, если годовой приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность составляет не менее 1200 кВт·ч/м² (или 3,3 кВт·ч/м² день) и продолжительность солнечного сияния более 2000 ч/год [19]. Рассмотрим на примере России распределение в течение года суммарной среднедневной солнечной радиации на наклонную поверхность южной ориентации с углом наклона равным широте местности [20] и определим благоприятные регионы, отвечающие описанному требованию целесообразности использования солнечной энергии.

Рисунок 1 – Суммарная среднедневная солнечная радиация на наклонную поверхность с углом наклона равным широте местности (год)

Как видно из рисунка 1, с севера на юг страны значение солнечной радиации изменяется от 2 до 5 кВт·ч/м² день. Только на юге страны значение солнечной радиации превышает 3,3 кВт·ч/м² день, характеризуя эту область благоприятной для использования СЭС.

Применение системы контроля позволит снизить показатель целесообразности использования солнечной энергии, за счет увеличения сбора мощности в течение дня, что видно из рисунка 2.

Благодаря системам контроля большая часть страны стала благоприятной для использования гелиоэнергетики, исключая районы крайнего севера. В период с апреля по сентябрь приходящая суммарная солнечная радиации на следящую поверхность настолько высока, что на всей территории России целесообразно использование СЭС. На рисунке 3 видно, что значение солнечной радиации изменяется от 3,5 до 7 кВт·ч/м² день.

Рисунок 2 – Прямая среднедневная солнечная радиация на следящую за Солнцем поверхность (год)

Рисунок 3 – Прямая солнечная радиация на следящую за Солнцем поверхность (период: апрель - сентябрь, кВт·ч/м²день)

Основываясь на вышесказанном, можно сделать вывод, что применение систем контроля позволит увеличить сбор мощности, а значит уменьшить требование значения годового прихода солнечной радиации. Потребителю при решении о целесообразности использования СЭС и расчете количества ФМ следует учитывать, что применение систем контроля позволит значительно увеличить получаемую мощность, что приведет к уменьшению количества применяемых ФМ.

Актуальность работ, нацеленных на разработку и внедрение систем контроля для СЭС, не вызывают сомнений. Изучением, разработкой и активным использованием систем контроля занимаются в различных странах. Данные исследования соответствуют приоритетным направлениям развития науки и техники и позволяют увеличить отбор мощности ФМ, уменьшить срок их окупаемости, и, как следствие, увеличить конкурентоспособность СЭС, расширить традиционную географию использования СЭС в регионах России, где ранее солнечная энергетика не использовалась, такие как Томская и Новосибирская области, Якутия, Сахалин и т.д.

Проектируя СЭС, потребитель рассчитывает необходимое количество ФМ, исходя из значения среднедневной солнечной радиации для данной местности, размера и КПД ФМ, указанный производителем в паспорте.

Такой подход не позволяет произвести точный прогноз полученной мощности по следующим причинам. Согласно ГОСТ Р 51594-2000 [21], КПД ФМ вычисляется как отношение мощности ФМ к солнечной энергии, поступившей на его поверхность. Производитель указывает КПД при нормальных условиях: плотность потока солнечной энергии 1000 Вт/м² и температуре солнечных элементов 25 °С. При измерении КПД в нормальных условиях направление потока солнечной энергии перпендикулярно плоскости ФМ. При таком взаимном расположении источника и ФМ выходная мощность будет максимальна. Однако в реальных условиях источником света является Солнце, которое непрерывно перемещается по небосводу в течение дня. При стационарно установленном ФМ на юг под углом к горизонту, равным широте местности, направление солнечных лучей будет перпендикулярно только в полдень. Таким образом, использование значения КПД ФМ при расчете ожидаемой полученной мощности не даст реальной картины и введет потребителя в заблуждение.

В некоторых источниках литературы [22, 23] используется термин «эффективность использования солнечной энергии» различными солнечными установками, в том числе водонагревательными, с концентраторами и другими. Часто авторами данный термин применяется как синоним КПД, одним из исключений является заведующий лабораторией возобновляемых источников энергии и энергосбережения Объединенного института высоких температур РАН Попель О.С., который в своих работах [24-26] постоянно использует термин «энергетический критерий эффективности использования солнечной энергии».

Введение систем контроля позволяет максимально эффективно использовать солнечную энергию. Системы контроля являются одним из самых доступных способов повышения эффективности использования солнечной энергии. Кроме того, данный способ применим для уже действующих СЭС, для которых необходимо изменить только опорную конструкцию. Системы контроля повышают выработку в утренние и вечерние часы и позволяют сделать более равномерной генерацию энергии в течение дня.

1 ВИДЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

1.1 Общие сведения о солнечных энергоустановках

Устройства, преобразующие солнечную энергию в электрическую или тепловую, называют гелиоустановками.

Солнечная батарея – один из генераторов альтернативных видов энергии, превращающих солнечное излучение в электричество. Простейшая солнечная энергоустановка состоит из батареи солнечных элементов в виде ФМ, которые совместно с другими элементами составляют полупроводниковый фотоэлектрический генератор. Действие ФМ основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта. В результате работы ФМ генерируют постоянный ток. Энергия может использоваться как напрямую различными приборами, так и запасаться в аккумуляторных батареях для последующего использования или же преобразовываться в переменный ток напряжением 220 В.

Модульный тип конструкции позволяет создавать установки практически любой мощности и делает их весьма перспективными (рисунок 1.1). Установки имеют малую массу и отличаются простотой обслуживания.

Рисунок 1.1 – Конструкция модульной энергетической фотоэлектрической станции

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов ВКР