IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Многочисленные исследования подтверждают тот факт, что при существующих темпах научно-технического прогресса к 2020 г. органическое топливо (нефть, газ, уголь и торф) не сможет в полном объеме удовлетворять потребности мировой энергетики. Поэтому традиционные системы электроснабжения, в том числе автономного, работающие на традиционном топливе, как бы они не развивались технически, но они обречены на бесперспективность в будущем.

В последнее время в мире ведутся исследования, которые направленны на поиск и новых источников энергии. Особый интерес проявляется к возобновляемым источникам энергии: энергия солнца, ветра, приливная энергия и др. Одним из перспективных направлений решения проблемы энергоснабжения потребителей является разработка и внедрение возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ). По прогнозам, их доля в мировом потреблении в 2020 г составит около 24%, а уже в 2040 г. – порядка 50%

В Мурманской области применяется опыт использования энергии солнца (рис. 1).[1].

Рисунок 1. Комплексная энергоустановка в Мурманской области

Себестоимость электроэнергии, производимой солнечными установками, оказывается довольно высокой. Возможно, в перспективе, по мере усовершенствования и удешевления, солнечные энергетические установки могут стать конкурентоспособными.

Солнце является источником жизни планеты Земля. Одной из важных характеристик солнечного излучения является продолжительность солнечного сияния.

Атмосфера поглощает (абсорбирует) солнечное излучение определённые длины волн. Существенное ослабление (уменьшение) в большей части ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра является результатом поглощения и обуславливает процесс экологического влияния на климат Земли.

Поверхность, перпендикулярная к падающему прямому солнечному излучению, как правило, имеет наивысшее значение интенсивности излучения. Поскольку расстояние от Земли до Солнца изменяется в течение года в пределах 150 млн. км, то величина солнечного излучения также изменяется в пределах от 1325 до 1420 Вт/м².

Солнечные лучи, которые достигают поверхности Земли, подразделяют на два вида: прямые и рассеянные. Прямые солнечные лучи – это те, которые берут начало у поверхности Солнца и достигают поверхности Земли. Мощность прямого солнечного излучения зависит от чистоты (ясности) атмосферы, высоты солнца над линией горизонта (зависит от географической широты и времени дня), а так же от положения поверхности по отношению к Солнцу. Рассеянные солнечные лучи поступают из верхних слоев атмосферы и зависят от того, каким образом прямые солнечные лучи отражаются от Земли и окружающей среды. Благодаря повторяющемуся процессу отражения между покрытой снегом поверхностью Земли и нижней стороной облаков мощность рассеянного солнечного излучения может достигать больших значений.

Солнечные лучи несут с собой неиссякаемый поток энергии. Они постоянно доставляют на Землю большее количество энергии, чем нам сегодня необходимо. Годовое количество поступающей на Землю солнечной энергии составляет 1018 кВт×ч, при этом, на поверхность суши приходится около 20% этой энергии.

В Мурманской области при реальных условиях облачности годовой приход суммарной солнечной радиации составляет около 650-850 кВт*ч/ . Это в 1.3-1.7 раза ниже, чем в районах средней полосы и юга России. Для практического использования солнечной энергии требуются большие капиталовложения. Солнечные энергетические установки (СЭУ) пока еще дороги. – до 8 тыс. евро/кВт. Поэтому применение СЭУ в районах Севера может быть оправдано лишь в исключительных случаях.

Мурманская область почти полностью расположена за полярным кругом, поэтому месячное число часов солнечного сияния изменяется в течение года в широких пределах – от 0 часов в декабре до 200-300 ч в июне и июле. Годовая продолжительность солнечного сияния составляет около 1200 ч на севере области и 1600 ч в ее южных районах.

В Августе 2015 года были запущенны 2 Ветро-солнечно-дизельные электростанции в поселках Чаваньга и Тетрино. В рамках проекта, реализуемого сейчас в сёлах Тетрино, Чапома и Чаваньга, предусмотрена установка 10 ветроэнергетических станций по 10 кВт и 4 станций по 5 кВт; 4 дизель-генератора по 88 кВт и 2 дизельгенератора по 17,6 кВт; 300 солнечных панелей общей мощностью 75 кВт. Ожидаемые результаты от реализации проектов - сокращение объемов потребляемого топлива и дизельных масел (топлива не менее 231 т/год, масла не менее 1,56 т/год), продление ресурса эксплуатации дизельных агрегатов.

Валовые (потенциальные) ресурсы солнечной энергии, поступающей за год на территорию Мурманской области, составляют около 1.1 кВтч. С одной стороны, это огромные ресурсы, а с другой – будучи рассредоточенными по обширной территории области, они имеют малую плотность. Для выработки электроэнергий за счёт солнца необходимо установить комплект оборудования (рис. 2)

Рисунок 2. Схема использования солнечной энергии

Себестоимость электроэнергии, производимой солнечными установками, оказывается довольно высокой. Возможно, в перспективе, по мере усовершенствования и удешевления, солнечные энергетические установки могут стать конкурентоспособными. В Мурманской области количество солнечной радиации достаточно низкие, в отличии от средней полосы и южных районов страны.

Солнечная энергия, достигшая поверхности Земли, несет с собой тепло, испаряет воду, образует ветер и движение воды в морях и океанах, дает жизнь растениям. Хотя солнечная энергия и бесплатна, получение электричества из нее не всегда достаточно дешево. Поэтому специалисты непрерывно стремятся усовершенствовать солнечные элементы и сделать их эффективнее.

Солнечное излучение преобразуется в электрическую энергию постоянного тока фотоэлементами. Большинство фотоэлементов представляют собой кремниевые полупроводниковые фотодиоды. Энергетические характеристики фотоэлементов в основном определяются следующими параметрами: интенсивностью солнечного излучения, величиной нагрузки, рабочей температурой.

Основными недостатками солнечных фотоэлектрических станций являются (СФЭС):

– высокая стоимость фотоэлементов, преобразующих солнечную радиацию в электроэнергию постоянного тока;

– применение инверторов, осуществляющих преобразование электроэнергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока, понижают их КПД;

– наличие аккумуляторных батарей, применяющих в качестве резервных источников, и обеспечивающих бесперебойное электроснабжение потребителей, значительно повышает стоимость солнечной электростанции.

Эти недостатки приводят к тому, что в настоящее время стоимость электроэнергии, вырабатываемую с помощью СФЭС, превышает в несколько раз стоимость электроэнергии, вырабатываемую от традиционных источников электроэнергии.

Поскольку удельная стоимость солнечной электростанции не зависит от ее размеров и мощности, в ряде случаев целесообразно модульное размещение СФЭС на крыше сельского дома, коттеджа, фермы. Собственник СФЭС будет продавать электроэнергию энергосистеме в дневное время, и покупать ее у энергетической компании по другому счетчику в ночные часы. Преимуществом такого использования, помимо политики поощрения малых и независимых производителей энергии, является экономия на опорных конструкциях и площади земли, а также совмещение функции крыши и источника энергии.

Прямое преобразование солнечного излучения в электрическую энергию осуществляют солнечные фотоэлектрические элементы (батареи, установки). Наибольшее распространение получили солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ) на основе кремния трёх видов: монокристаллического, поликристаллического и аморфного. В промышленном производстве находятся СФЭУ со следующим КПД:

1) монокристаллический: 15 – 16% (до 24% на опытных образцах);

2) поликристаллический: 12 – 13 % (до 16% на опытных образцах);

3) аморфный: 8 – 10% (до 14% на опытных образцах).

Все эти данные соответствуют так называемым однослойным элементам. В настоящее время исследуются двух- и трёхслойные фотоэлементы, которые позволяют исследовать большую часть солнечного спектра по длине волны солнечного излучения. Для двухслойного фотоэлемента на опытных образцах получен КПД 30%, а трёхслойного до 40%.

В последние годы появился перспективный конкурент для кремния в СФЭУ – арсенид галлия. Установки на его основе даже в однослойном исполнении имеют КПД до 30% при гораздо более слабой зависимости его КПД от температуры, поскольку во время работы СФЭУ поверхности их сильно нагреваются, что приводит к снижению энергетических показателей установки. Для охлаждения таких установок применяется вода.

Важным обстоятельством является тот факт, СФЭУ отличаются относительной простотой конструкции, низкой металлоёмкостью, могут работать с одинаковой эффективностью в любом диапазоне мощности и на любой географической широте. Трудности в практической реализации строительства СФЭУ обусловлены прежде всего высокой стоимостью фотопреобразователей (10 – 12 тыс. руб/кВт).

Конструктивно СФЭУ содержит: солнечные батареи (СБ), содержащие фотоэлементы; инвертор (И), выполненный на полупроводниковых приборах, как правило, в своей конструкции, содержащий трансформатор; аккумуляторные батареи (АБ); систему управления и защиты (СУЗ).

Солнечные батареи СБ преобразуют энергию солнечного излучение в электрическую энергию постоянного тока. Инвертор преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, а его трансформатор осуществляет согласование напряжения солнечных батарей СБ с напряжением нагрузки Н. Аккумуляторные батареи являются резервным источником питания. Система управления и защиты СУЗ обеспечивает стабилизацию напряжения, переход питания нагрузки от резервного источника и защиту устройства от аварийных режимов работы.

В настоящее время известны новые технические решения инверторов, выполненных с использованием трансформаторов с вращающимся магнитным полем и промежуточного высокочастотного преобразования, что позволит значительно улучшить их эксплуатационно-технические характеристики. Частичное затенение элементов не принесёт большого вреда для работы солнечной батареи. Ток, отдаваемый СФЭУ, будет ограничен током худшего элемента.

Для СФЭУ с большой площадью солнечных панелей, состоящих из множества последовательно-параллельных соединённых ячеек, необходимо учитывать теневой эффект, который возникает при частичном затемнении панели. Если ячейка в последовательной цепи полностью затемнена, то она из источника энергии превращается в потребителя. Из-за последовательной связи с освещёнными ячейками в цепи протекает ток, разогревающий затенённую ячейку мощностью потерь, выделяющейся на её внутреннем сопротивлении. Таким образом, происходит уменьшение электрической мощности СБ.

Солнечные панели Exmork ФСМ-250П 250 ватт 24В Поли были выбраны для получения электричества. На площади 20 м² можно разместить 10 панелей. Суммарная номинальная мощность составит порядка 2,5 кВт.

Для расчёта ёмкости, необходимой аккумуляторной батареи, что бы собрать энергию, которые производят солнечные панели, необходимо воспользоваться формулой:

q = /U,

q – запасаемый заряд (А*ч),

– мощность панелей (Вт*ч),

U – напряжение (В).

В ходе расчёта было получено, что для аккумуляции 2,5 кВт потребуется АКБ ёмкостью 200 А*ч.

Средне-суточный коэффициент солнечной активности в летний период составляет 70%. Сколько энергии будет выработано за день можно выяснить по формуле:

E = * 24 * k ,

k – коэффициент солнечной активности,

Е – количество энергии произведённой за день (Вт*ч).

Итоговая мощность составит 29 кВт за день. Для аккумуляции этой энергии потребуется 12 АКБ. Для продолжительного срока службы аккумуляторов нельзя его полностью разряжать, а лишь только на 70%. То есть, итоговое количество энергии, которую мы можем использовать с АКБ – 20 кВт.

Вывод: Солнечная энергия малоэффективна на территории Мурманской области в сравнении с Центральными и Южными районами России из-за низкой солнечной активности. Потенциал солнечной энергии в силу географического положения региона невысок, но этот источник, имеющий максимум летом, может эффективно использоваться совместно с энергией ветра.

Список используемых источников

1. Fedorov O.V., Kuznetsov M.M.Alternative energy sources for remote customers.// Вiсник Вiнницького полiтехнiчного iнституту. 2015. № 6 (123). С. 141-144.

Код для цитирования: Скопировать