Файл: Результаты расчета значения r для зоны Южного Урала приведены в табл 4.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.01.2024
Просмотров: 79
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Результаты расчета значения R для зоны Южного Урала приведены в табл.2.4.
Значения величины R для зоны Южного Урала P(S)
Таким образом, среднемесячные значения солнечной суммарной энергии могут служить исходными данными при расчете солнечных установок. Учет же вариации солнечной энергии по времени необходим при объективной оценке возможности использования солнечных установок, то есть для определения вырабатываемой энергии за известный промежуток времени.
Изучение внутри месяца структуры солнечной энергии и, прежде всего, режима повторяемости ее суточных сумм позволит получить вероятностную оценку не только для суммарной энергии, но и для продолжительности солнечного сияния. В нашей стране для некоторых регионов вероятностные характеристики солнечной энергии и продолжительности солнечного сияния известны. Графики обеспеченности продолжительности солнечного сияния для зоны Южного Урала приведены на рис. 2.3.
По среднемесячным значениям продолжительности солнечного сияния можно определить ее обеспеченность течение месяца. Так, в июне не менее чем 8-часовая продолжительность солнечного сияния ожидается с вероятностью (обеспеченностью)
(рис. 2.3 г). Это значит, в 20 дней из 30 ожидается 
ч. Солнечная радиация в течение дня поступает симметрично относительно полудня, то есть в 12 ч по солнечному времени наблюдается максимальное значение уровня солнечной радиации, а по мере приближения к полудню или удаления от него изменяется соответственно. Например, уровень радиации одинаков в 11 и 13 ч. в 10 и 14 ч. и т.д. На практике, как правило, нужно знать количество суммарной солнечной радиации, поступившей за день, а не за каждый час. Поэтому достаточно иметь данные о среднемесячной суммарной радиации с вероятностной оценкой в течение месяца [13].
Рис. 2.3. Графики суточной продолжительности солнечного сияния для зоны Южного Урала: 1, 2, 3 и т.д., обозначение месяцев январь февраль март и т.д. соответственно, а, б, в объединение близки по характеру зависимостей
2.5. Преобразование солнечной энергии в электричество
Известны методы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую, основанные на использовании циклов тепловых двигателей, термоэлектрического и термоэмиссионного процессов, а также прямые методы фотоэлектрического, фотогальванического и фотоэмиссионного преобразований. Наибольшее практическое применение получили фотоэлектрические преобразователи и системы термодинамического преобразования с применением тепловых двигателей.
Солнечная энергия преобразуется в электрическую на солнечных электростанциях (СЭС), имеющих оборудование, предназначенное для улавливания солнечной энергии и ее последовательного преобразования в теплоту и электроэнергию. Для эффективной работы СЭС требуется аккумулятор теплоты и система автоматического управления.
Для размещения солнечных электростанций лучше всего подходят засушливые и пустынные зоны.
На поверхность самых больших пустынь мира общей площадью 20 млн км2 (площадь Сахары 7 млн км2) за год поступает около 5*1016 кВтч солнечной энергии. При эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую, равной 10%, достаточно использовать всего 1% территории пустынных зон для размещения СЭС, чтобы обеспечить современный мировой уровень энергопотребления [68].
2.5.1. Башенные и модульные электростанции
В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов: солнечные энергетические станции (СЭС) башенного тина и СЭС распределенного (модульного) типа.
Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965 г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.
В башенных СЭС используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за Солнцем значительно сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар температурой до 550 °С, воздух и другие газы - до 1000°С, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) до 100°С, жидкометаллические теплоносители до 800 °С.
Главными недостатками башенных СЭС являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения СЭС мощностью 100 МВт требуется 200 га, а для АЭС мощностью 1000 MBт - всего 50 га. Башенные СЭС мощностью до 10 МВт нерентабельны их оптимальная мощность равна 100 МВт, а высота башни 250 м.
В СЭС распределительного (модульного) типа используется большое число модулей, каждый из которых включает параболоцилиндрический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагрева рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, который соединен с электрогенератором. Самая крупная СЭС этого типа построена в США и имеет мощность 12,5 МВт.
При небольшой мощности СЭС модульного типа более экономичны, чем башенные. В СЭС модульного типа обычно используются линейные концентраторы солнечной энергии максимальной степенью концентрации около 100.
В соответствии с прогнозом в будущем СЭС займут площадь 13 млн км2 на суше и 18 млн км2 в океане [11].
2.5.2. Солнечные батареи
Энергия солнечной радиации может быть преобразована в постоянный электрический ток посредством солнечных батарей устройств, состоящих из тонких пленок кремния или других полупроводниковых материалов. Преимущество фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. Как стационарные источники электричества, фотоэлектрические станции привлекательны для районов, не обеспеченных электричеством от центральной энергосистемы. Установка солнечных модулей выгодна там, где расход энергии незначителен, а проводка электросетей требует немалых затрат.
Фотоэлектрические станции (ФЭС) идеальны для путешествий, в вариантах мобильного использования. Имея ФЭС, вы можете стать энергетически не зависимым и наслаждаться комфортом всюду, где есть солнечный свет. При этом абсолютно бесшумно и безвредно для окружающей среды, без вредных отходов или выбросов.
При этом срок их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позволяет создавать установки практически любой мощности и делает их весьма перспективными. Недостатком ФЭП является высокая стоимость и низкий КПД (в настоящее время практически 10-12%).
Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В солнечном элементе из полупроводникового кремния толщиной 50 мкм поглощаются фотоны, и их энергия преобразуется в электрическую посредством p-n соединения.
Переход на гетеросоединения типа арсенида галаня и алюминия, применение концентраторов солнечной радиации с кратностью концентрации 50-100 позволяет повысить КПД с 20 до 35%. В 1989 г. фирмой «Боинг» создан двухслойный элемент, состоящий из двух полупроводников Арсенида и антимонида галлия с коэффициентом преобразования солнечной энергии электрическую, равным 37%. В обычных кремниевых элементах инфракрасное излучение не используется, в то время как в новом элементе в первом прозрачном слое (арсенид галлия) поглощается преобразуется электричество видимый свет, а инфракрасная часть спектра, проходящая через этот слой, поглощается и преобразуется электричество во втором слое (антимониде галлия), в итоге КПД составляет 28%+9%-37%, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций [12].
Солнечные батареи пока используются основном космосе, а на Земле только для энергоснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолетов. В 1988 г. в Австралии состоялись первые всемирные ралли солнечных автомобилей. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснабжения, т.е. отопления и горячего водоснабжения, а также для выработки электроэнергии для освещения и питания бытовых электроприборов,
2.5.3. Пример расчёта фотоэлектрической системы
Все фотоэлектрические системы (ФЭС) можно разделить на два типа: автономные и соединенные с электрической сетью. Станции второго типа отдают излишки энергии в сеть, которая служит резервом в случае возникновения внутреннего дефицита энергии.
Автономная система в общем случае состоит из набора солнечных модулей, размещенных на опорной конструкции или на крыше, аккумуляторной батареи (АКБ), контроллера разряда заряда аккумулятора, соединительных кабелей. Если потребителю необходимо иметь переменное напряжение, то к этому комплекту добавляется инвертор преобразователь постоянного напряжения переменное.
Под расчетом ФЭС понимается определение номинальной мощности модулей, их количества, схемы соединения: выбор типа, условий эксплуатации и емкости АКБ: мощностей инвертора и контроллера заряда-разряда; определение параметров соединительных кабелей.
Прежде всего, надо определить суммарную мощность всех потребителей, подключаемых одновременно. Мощность каждого из них измеряется в ваттах и указана в паспортах изделий. На этом этапе уже можно выбрать мощность инвертора, которая должна быть не менее чем в 1,25 раза больше расчетной. Следует иметь в виду, что такой хитрый прибор, как компрессорный холодильник, в момент запуска потребляет мощность в 7 раз больше паспортной. Номинальный ряд инверторов 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 Вт. Для мощных станций (более 1 кВт) напряжение станции выбирается не менее 48 В, т.к. на больших мощностях инверторы лучше работают более высоких исходных напряжений.
Следующий этап — это определение емкости АКБ. Емкость АКБ выбирается из стандартного ряда емкостей с округлением в сторону. большую расчетной. А расчетная емкость получается простым делением суммарной мощности потребителей на произведение напряжения АКБ на значение глубина разряда аккумулятора в долях.
Например, если суммарная мощность потребителей 1000 Вт-ч в сутки, а допустимая глубина разряда АКБ 12 В 50%, то расчетная емкость составит:
При расчете емкости АКБ в полностью автономном режиме необходимо принимать во внимание и наличие в природе пасмурных дней, в течение которых аккумулятор должен обеспечивать работу потребителей.
Последний этап - это определение суммарной мощности и количества солнечных модулей. Для расчета потребуется значение солнечной радиации, которое берется период работы станции, когда солнечная радиация минимальна. В случае круглогодичного использования это декабрь.
В разделе «Метеорология» [99-101] даны месячные и суммарные годовые значения солнечной радиации для основных регионов России, а также с градацией по различным ориентациям световоспринимающей плоскости.
Взяв оттуда значение солнечной радиации за интересующий нас период и разделив его на 1000, получим так называемое количество пикочасов, т.е, условное время, в течение которого солнце светит как бы с интенсивностью 1000 Вт/м2.
Например, для широты Москвы и месяца июля значение солнечной радиации составляет 167 кВтч/м2 при ориентации площадки на юг под углом 40° к горизонту. Это значит, что среднестатистически солнце светит в июле 167 ч (5,5 ч в день) с интенсивностью 1000 Вт/м2, хотя максимальная освещенность в полдень на площадке, ориентированной перпендикулярно световому потоку, не превышает 700-750 Вт/м