Файл: Разработка автономной солнечной электростанции для питания слаботочных систем освещения.pdf

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Тольяттинский государственный университет»
Институт энергетики и электротехники
(наименование института полностью)
Кафедра «Электроснабжение и электротехника»
(наименование кафедры)
13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»
(код и наименование направления подготовки)
Энергосбережение и энергоэффективность
(направленность (профиль)
МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ на тему «Разработка автономной солнечной электростанции для питания слаботочных систем освещения»
Студент
Д.А. Нагаев
(И.О. Фамилия)
(личная подпись)
Научный руководитель
А.Н. Черненко
(И.О. Фамилия)
(личная подпись)
Руководитель программы к.т.н. А.Н. Черненко ________________
(ученая степень, звание, И.О. Фамилия) (личная подпись)
«_____»______________________20_____г.
Допустить к защите
Заведующий кафедрой д.т.н., профессор В.В. Вахнина ________________
(ученая степень, звание, И.О. Фамилия) (личная подпись)
«_____»______________________20_____г.
Тольятти 2019

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
4 1 Анализ способов преобразования солнечной энергии в электроэнергию
9 1.1
Термодинамические СЭС (CSP)
9 1.1.1
СЭС башенного типа
9 1.1.2
СЭС, использующие параболоцилиндрические концентраторы
11 1.1.3
СЭС тарельчатого типа
11 1.1.4
Солнечно-вакуумные электростанции
12 1.1.5
Комбинированные СЭС
13 1.2
Фотоэлектрические СЭС (PV)
13 1.3
Выводы по первому разделу
14 2
Выбор компонентной базы для солнечной электростанции
16 2.1
Устройство и принцип работы солнечной электростанции
16 2.1.1
Солнечная панель. Принцип действия
17 2.1.2
Типы солнечных панелей
19 2.1.3
Категории фотоэлектрических солнечных панелей
24 2.1.4
Климатические и географические условия применения
25 2.1.5
Альбедо поверхности Земли
28 2.2
Инверторы
30 2.2.1
Виды инверторов
32 2.2.2
Солнечная электростанция и мощность инвертора
33 2.3
Аккумуляторные батареи
35 2.3.1
Виды аккумуляторных батарей
37 2.4
Контроллеры
40 2.4.1
Виды контроллеров заряда АКБ
41 2.5
Выводы по второму разделу
44 3
Разработка системы хранения и преобразования энергии для поддержания независимой работоспособности солнечной электростанции в течении 24 часов
46

3 3.1
Исходные данные для выбора элементов солнечной электростанции 46 3.1.1
Характеристика объекта
46 3.1.2
Выбор и расчет параметров солнечных панелей
51 3.1.3
Выбор контроллера заряда АКБ
58 3.1.4
Выбор и расчет параметров инвертора
59 3.1.5
Выбор и расчет параметров аккумуляторной батареи
66 3.1.6
Компоновка
70 3.2
Выводы по третьему разделу
75
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
78
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
81

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.

9
1 Анализ способов преобразования солнечной энергии в электро-
энергию
В первом разделе рассмотрены варианты преобразования солнечной энергии в электричество. Любая солнечная электростанция основана на пре- образовании солнечного света в электрическую энергию. Различают не- сколько способов преобразования солнечной радиации, зависящих от кон- струкции электростанции [25-29].
Принципиально солнечные электростанции (СЭС) могут быть двух ти- пов: фотоэлектрические и термодинамические [30-35].
1.1
Термодинамические СЭС (CSP)
Для выработки электроэнергии используется энергия солнечного излу- чения (тепловая энергия солнца), которая преобразуется в механическую, а затем в электрическую. Термоэлектрогенераторы работают по принципу по- явления на выводах разнородных проводников ЭДС (термоэлектрический эффект). Если концы этих проводников находятся при разной температуре.
Зеркала CSP концентрируют тепло от солнца в фокусе, которое затем приво- дит в действие паровой двигатель для производства электричества. CSP тре- буют большого количества пространства и непрерывного солнечного света.
Преобразование солнечной радиации в электростанциях данного типа осу- ществлено по принципам солнечного коллектора.
Данный тип СЭС включает в себя:
1.1.1 СЭС башенного типа
Также известная как гелиостат, данная СЭС представляет собой тип солнечной печи, использующей башню для получения сфокусированного солнечного света. СЭС использует массив плоских подвижных зеркал, назы- ваемых гелиостатами, чтобы сфокусировать солнечные лучи на коллектор- ную башню. В ранних разработках эти лучи использовались для нагрева во-

10 ды, а полученный пар - для питания турбины. Позднее были продемонстри- рованы новые конструкции с использованием жидкого натрия, и в настоящее время работают системы с использованием расплавленных солей в качестве рабочих жидкостей. Эти жидкости обладают высокой теплоемкостью, кото- рую можно использовать для накопления энергии. Эти конструкции также позволяют генерировать энергию, когда солнце не светит (рисунок 1.1.).
Рисунок 1.1 - Солнечная электростанция башенного типа

11
1.1.2 СЭС, использующие параболоцилиндрические концентрато-
ры
Принцип работы СЭС на параболическом концентраторе прост. Тепло- носитель подогревается с помощью, сконцентрированной концентраторами энергии солнца. Когда параметры теплоносителя достигнут необходимых па- раметров, его подают в турбогенератор.
Этот тип является наиболее распространенным типом термодинамиче- ских СЭС. Параболические желоба используют ряды изогнутых зеркал с фо- кусом на приемных трубках, которые проходят по длине зеркал. Интенсив- ный солнечный свет, сфокусированный от зеркал в форме желоба, нагревает жидкость внутри трубок. Затем горячие жидкости нагревают воду и таким образом вращают паровую турбину для выработки электроэнергии (рисунок
1.2.).
Рисунок 1.2 - СЭС, использующая параболические концентраторы
1.1.3 СЭС тарельчатого типа
СЭС тарельчатого типа содержит два важных элемента - отражатель и приемник. Отражатели в виде параболы из зеркал размещается на опорах.
Фокус отражателя нацелен на приемник. Каждый отражатель содержит 10

12 зеркал. Каждое зеркало настраивают индивидуально так, чтобы максимум солнечной энергии попало на приемник. В качестве приёмника можно при- менить двигатель Стирлинга. Двигатель можно подключить с генератором.
Так же к двигателю Стирлинга необходимо подключить резервуар с жидко- стью. Обычно – водой. Вода закипая, превращается в пар. Пар крутит турби- ну.
Рисунок 1.3 - Солнечная установка тарельчатого типа
Так же различают два отличных типа СЭС, не относящихся к вышепе- речисленным:
1.1.4 Солнечно-вакуумные электростанции
Работают по принципу перепада температур. Когда солнце нагревает специально сооружённую оранжерею, поток воздуха устремляется через тру- бу, находящуюся в центре оранжереи, вверх, и вращает турбину. Тяга посто- янна, поскольку солнце разогревает воздух в определённом объеме, закрытом стеклом (рисунок 1.4).

13
Рисунок 1.4 – Солнечно-вакуумные электростанции
1.1.5 Комбинированные СЭС
Технология является, объединяющей солнечную тепловую энергию с традиционными турбинами, работающими на ископаемом топливе, когда к теплообменным аппаратам подключают коммуникации горячего водоснаб- жения и отопления, либо используют для технических нужд. Тепловая энер- гия является вспомогательной энергией для обычного цикла, работающего на ископаемом топливе, для производства дополнительной электроэнергии при относительно низких затратах.
1.2
Фотоэлектрические СЭС (PV)
Принцип работы состоит в том, что электричество генерируется непо- средственно из солнечного света посредством фотоэлектрического эффекта, который происходит естественным образом в определенных типах материа- лов, называемых полупроводниками. Фотоэлектрические устройства могут использоваться для питания чего угодно, от небольшой электроники, такой как калькуляторы и дорожные знаки, до домов и крупных коммерческих предприятий.