Файл: Введение Одним из главных показателей, определяющих уровень развития общества, является его энерговооруженность.docx

Введение

Одним из главных показателей, определяющих уровень развития общества, является его энерговооруженность. При этом, с каждым годом потребности населения земли в энергии возрастают всё больше и больше. Потребление энергии, за историю развития населения нашей планеты, выросло более чем в 100 раз.

В настоящее время энергетика является топливной, то есть более чем на 90% основывается на использовании химического топлива на базе горючих природных ископаемых: угля, газа, нефти и продуктов их переработки, а именно - припасах, которые на планете ограниченны и будут так или иначе когда-нибудь истощены. Такое положение дел приводит к необходимости поиска новых источников энергии и получения на их основе синтетических видов топлива. Речь идет о синтезе веществ с энергозатратой, которые можно было бы использовать в качестве удобного для потребления искусственного горючего. Также нужно взять во внимание возрастающие трудности населения земли, связанные с защитой среды от термического, радиационного и химического загрязнения, которые определяют ужесточение требований к экологическим показателям энергодобывающих процессов.

Солнечная энергия - это кинетическая энергия излучения (в основном видимого диапазона), которая образуется в результате реакций в недрах Солнца. Так как её запасы практически неистощимы (Солнце будет «светить» ещё примерно 4 млрд лет), её относят к возобновляемым энергоресурсам. В естественных экосистемах только небольшая часть солнечной энергии поглощается хлорофиллом, содержащимся в листьях растений, и используется для фотосинтеза, т. е. образования органического вещества из углекислого газа и воды. Таким образом, она улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органических веществ. За счет их разложения удовлетворяются потребности в энергии всех остальных компонентов экосистем. Подсчитано, что даже небольшого процента солнечной энергии вполне достаточно для обеспечения нужд промышленности, транспорта и нашего быта не только сейчас, но и в обозримом будущем. Более замечательно то, что независимо от того, будем мы ее использовать или нет, на состоянии биосферы и энергетическом балансе Земли и это никоим образом не отразится.

---

Солнце - это источник энергии очень большой мощности. Всего лишь двадцать два дня солнечного сияния по суммарной мощности, приходящей на нашу планету, равны всем запасам органического топлива на земле. На практике солнечную радиацию можно преобразовать в электроэнергию как непосредственно, так и косвенно. Косвенное преобразование может быть проделано путем концентрации солнечной радиации с помощью следящих зеркал для превращения в пар воды и последующего использования пара для генерирования электричества привычными способами. Подобная система может работать лишь при прямом освещении солнечными лучами. Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую может быть осуществлено с использованием фотоэлектрического эффекта. Элементы, изготовленные из специального полупроводникового материала, например, силикона, при прямом солнечном облучении обнаруживают разность в вольтаже на поверхности, т.е. наличие электрического тока.

1. Основная характеристика потребителя

Задачей, для проектируемой солнечной электростанции, состоит в том, чтобы обеспечить резервное электроснабжение.

В таблице 2 представлены устанавливаемые бытовые электроприборы и их номинальная мощность.

Фотоэлектрическая установка для автономного жилого дома в котором постоянно потребляет приблизительно 5,5 кВт·ч/сутки (табл1), таким образом средняя потребляемая мощность составляет 440 Вт

Таблица 1. Суточное потребление электроэнергии в прохладный сезон в жилом доме ( с 22 часов до 9 утра)

Потребитель	Потребляемая мощность (Вт)	Кол-во			Часовая потребляемая энергия ( кВт.ч)													Суммарная потребляемая энергия в день
			W22	W23	W24	W1	W2	W3	W4	W5	W6	W7	W8		W9
Компьютер	100	1	0,1	0,1	0,1						0,1	0,1	0,1
Холодильник	200	1	0,2	0,2	0,2	0,2	0,2	0,2	0,2	0,2	0,2	0,2	0,2		0,2
Светодиодные лампы	40	2	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8
Лампы	20	2		0,04	0,04
Чайник	150	1	0,125	0,125									0,125
Стиральная машина	1000	1	1									0,3
Водяной насос	350	1	0,3
Всего	1860	W	1,78	0,52	0,42	0,28	0,28	0,2	0,2	0,2	0,3	0,6	0,4		0,2		5,38

---

На рис. 1 графически представлены данные табл. 1.



Рис. 1 Энергопотребление за час с 22 до 9 согласно с табл.1.

2. Расчет солнечного потенциала

Для расчета электрического потенциала потребуется выяснить понятие солнечной инсоляции и величину инсоляции в регионе.

Солнечная инсоляция – это величина, определяющая количество облучения поверхности пучком солнечных лучей (даже отраженных или рассеянных облаками).

Ориентация ФЭ модулей по сторонам света: На Юг (для достижения наилучшей энергоотдачи)

Угол наклона ФЭ модулей: Зимний угол (71°)

При круглогодичном использовании электростанции, лучше устанавливать ФЭ модули под "зимним" углом наклона, что уменьшает вероятность налипания снега на поверхности модулей, и существенно повышает выработку энергии зимой. Значение угла (зимнего, летнего, среднего) зависит от географической широты местности.



Рис. 2. Ориентация и угол наклона необходимые для достижения наилучшей энергоотдачи в г. Кызыле
Таблица 2 Ориентация и угол наклона необходимые для достижения наилучшей энергоотдачи в г. Кызыле

Месяц	Солнечная инсоляция, кВт*ч/м2	Оптимальный угол наклона
Январь	2,79	68
Февраль	3,77	61
Март	5,00	45
Апрель	5,60	33
Май	5,95	17
Июнь	5,94	12
Июль	5,49	14
Август	5,13	26
Сентябрь	4,44	42
Октябрь	3,39	56
Ноябрь	2,58	66
Декабрь	2,02	71
Среднее за год	4,35	42,7

---

Исходя, из таблицы видим, что в регионе средний уровень инсоляции 4,35. Поэтому столицу Республики Тыва можно рассматривать как регион, где использование солнечных панелей имеет высокую эффективность.

Расчёт средней ежедневной выработки электроэнергии необходим для наиболее правильного подбора солнечной электростанции. Существует статистика поступления солнечной энергии на единицу поверхности Земли в различных регионах. Наблюдение за уровнем облачности и солнечной активности осуществляется с помощью метеорологических спутников.

Применяем статистику NASA – американского национального управления по воздухоплаванию, аэронавтике и исследованию космического пространства. Статистика получена в результате десятков лет наблюдений из космоса и является усреднённой. Поэтому, в отдельно взятый год наблюдения, среднегодовое и среднемесячное поступление энергии может несколько отличаться от представленных данных. Погрешность расчёта может составлять более 40% в меньшую сторону.

На основании данных о среднемесячном поступлении солнечной энергии на квадратный метр земной поверхности можно произвести расчёт ожидаемой выработки электроэнергии солнечными фотоэлектрическими (ФЭ) модулями, установленными в различных районах Земли. Количество поступающей солнечной энергии указывается в киловатт-часах на квадратный метр в день (кВт•ч/м2/день). [10]

Результат расчёта ежедневной выработки энергии электростанцией в г. Кызыл Вт·ч в день - средняя ежедневная выработка электроэнергии по месяцам



Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь



Рис. 3. Ежедневной выработки энергии электростанцией в г. Кызыл по месяцам

Проанализировав потенциал солнечной энергии на территории Республики Тыва, было установлено что на 1 м² в зависимости от времени года падает от 1,9 до 7,8 кВт солнечной энергии. В качестве солнечных модулей выберем солнечный ФЭ модуль One-Sun 250М в количестве 8 панелей. Технические характеристики солнечного модуля приведены

3. Технический расчет и выбор оборудования

Для определения требуемого количества энергии в сутки необходимо вычисленное значение суточного потребления. Это 2,97 (кВт) или 2970 (Вт) разделить на выбранное нами напряжение системы – 24 В. Результат этого деления составит 130 (А).

---

Рис. 4. – Схема солнечной электростанции

Обычно для автономных систем электроснабжения частного жилого дома выбирается либо 12 (Вт), либо 24 (Вт). Если, конечно, система электроснабжения не слишком мощная и эта, её мощность, не вынуждает прибегать к напряжению 36 В или, допустим, 48 В, чтобы снизить токи в цепях, а значит, иметь возможность использовать провод меньшего сечения, т. е. более дешевый. В нашем случае я предлагаю использовать 24-х вольтовую систему. Потому что, при эксплуатации, особенно на чабанской стоянке, в планы пойдут дальнейшее наращивание системы электроснабжения. Кроме того эксплуатировать в зимний период, надежнее 24-х вольтовую систему.

Но мы не должны забывать, что инвертор сам потребляет часть энергии на собственные нужды. Значит мы должны предусмотреть запас энергии и для него. Исходя из этого полученный результат 130 (А) мы умножим на коэффициент 1,2 и получим 156 (А).

Выбор солнечных панелей.

Солнечные панели из монокристаллических фотоэлектрических элементов более эффективны, но также являются и более дорогими в пересчете на ватт мощности. Их КПД, как правило, колеблется в диапазоне от 14 до 16%.

Основной материал - крайне чистый кремний, который проходит несколько стадий очистки от вредных и нежелательных примесей. Данный материал хорошо изучен и освоен в области производства полупроводников. Кремниевый монокристалл растет из семени, которое медленно вытягивается из кремниевого расплава. Стержни, полученные таким путем, режутся на части толщиной 0,2-0,4 мм.

Затем эти диски подвергаются ряду производственных технологических операций, таких как:

-обтачивание, шлифовка и очистка;

-наложение защитных покрытий;

-металлизация;

-антирефлексионное покрытие.



Рис. 5 Внешний вид панели из монокристаллических фотоэлектрических элементов

Обычно монокристаллические элементы имеют форму многоугольников, которыми трудно заполнить всю площадь панели без остатка из-за такой полигональной структуры. В результате удельная мощность солнечной батареи чуть ниже, чем удельная мощность отдельного её элемента.

На основании данных о среднемесячном поступлении солнечной энергии на квадратный метр земной поверхности можно произвести расчёт ожидаемой выработки электроэнергии солнечными фотоэлектрическими (ФЭ) модулями, установленными в различных районах Земли. Проанализировав потенциал солнечной энергии на территории Респбулики Тыва, было установлено что на 1 м2, в зависимости от времени года падает в среднем 4.35 (кВт) солнечной энергии.

---