Должиков Никита Валерьевич

Французский технический факультет

Кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий и городов»

Специальность «Электротехнические системы электропотреления»

Исследоание альтернативных источников энергии

Научный руководитель: к. т. н., профессор Александр Васильевич Левшов

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В последние годы заметно усилилось внимание к поиску и освоению нетрадиционных источников энергии, которые отличаются от ископаемых органических ресурсов своими громадными запасами, т.е. они практически неисчерпаемы или периодически возобновляются. Загрязнение окружающей среды, рост цен на энергоносители и уменьшение их запасов обосновывают использование экологически чистых и, возможно, более дешевых источников энергии. Таковыми являются, так называемые, возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Одним из наиболее перспективных видов ВИЭ является энергия солнца. Солнце, по человеческим меркам, – неисчерпаемый источник энергии. Существуют устройства, преобразующие солнечную энергию в электрическую. Это солнечные элементы. Для создания солнечных электростанций (СЭС) солнечные элементы объединяют в батареи и крепят на основании для удобства их конечного монтажа и увеличения прочности. Такая конструкция называется солнечной панелью или солнечным модулем. В нынешнее время производство таких солнечных панелей достигло значительных масштабов. Относительно доступные солнечные модули имеют коэффициент преобразования солнечного света в электричество 7-18 %. Максимальный же коэффициент преобразования на сегодняшний день около 40 %. Но дороговизна высокопроизводительных элементов не позволяет использовать их для создания электростанций широкого потребления, поскольку это экономически нецелесообразно.

1. Актуальность темы

Актуальность солнечной энергетики постоянно растет, потому что солнечная энергия является экологически чистой. Вторая причина актуальности использования солнечной энергии заключается в её ресурсоемкости.

Всего за 9 минут Земля получает больше энергии от Солнца, чем человечество производит за весь год. Эта энергия поставляется бесплатно и не оказывает влияния на окружающую среду непосредственно в вашей квартире.

Под солнечной энергией обычно понимают преобразование солнечного излучения в тепло. Солнечная энергия используется для получения горячей воды и может поддерживать отопление. Тепло может очень хорошо сохраняться и быть доступным в течение нескольких дней. Системы по преобразованию солнечной энергии используются для отопления, а также нагревают питьевую воду.

Солнечная энергия представляет собой сферу значимых инвестиций в условиях снижения запасов нефти и газа. Солнечная энергия способствует увеличению мирового потребления и росту цен на ископаемое топливо.

Тепловые насосы используются для обеспечения циркуляции энергии в окружающей среде. Хладагент используется для производства тепла. Эти компоненты прекрасно сочетаются в установке по производству солнечной энергии.

Эксплуатационные расходы на солнечную энергетику для систем отопления являются низкими, по сравнению с сопоставимыми системами без использования солнечной энергии.

2. Описание структуры СЭС

Основой солнечной электростанции является фотоэлектрический преобразователь. Принцип работы фотоэлектрического преобразователь достаточно прост и заключается в следующем.

При освещении солнечным светом единичный кремниевый фотоэлектрический преобразователь генерирует электрическое напряжение величиной около 0,5 В. Независимо от типа и схемы включения все (большие и малые) кремниевые солнечные элементы генерируют напряжение 0,5 В, при отсутствии нагрузки и номинальном значении солнечной инсоляции.

Для увеличения выработки энергии отдельные ФЭП собираются вместе и образуют фотоэлектрические модули, которые затем соединяются в массивы (рис. 1) для увеличения выходного напряжения фотоэлементы соединяют последовательно, а для увеличения мощности – параллельно. Модульная структура ФЭП позволяет строить различные фотоэлектрические системы в зависимости от выработки энергии для различного применения. Таким образом, фотоэлектрический элемент является составным элементом фотоэлектрических систем.

Рисунок 1 – Фотоэлектрический элемент, модуль и массив ФЭП (анимация: 4 кадра, 7 повторений, 112 килобайт)

Последовательные модули ведут себя как энергопотребители: они нагреваются при протекании тока и могут выйти из строя. Для защиты используются обратные диоды (как показано на рис. 2).

Рисунок 2 – Последовательное соединение солнечных модулей с обратными диодами

При параллельном соединения и наличии затенения отдельного элемента он запирается и становится нагрузкой для остальных элементов, в результате этого затененный элемент перегревается и может выйти из строя. Для защиты от этого режима в каждой ветви устанавливают запирающие диоды (рис. 3).

Рисунок 3 – Расположение запирающих диодов при параллельном соединении

На рис. 4 показана схема комбинированного фотоэлектрического модуля с запирающими и обратными диодами.

Рисунок 4 – Фотоэлектрический генератор с обратными и запирающими диодами

Эффективным способом решения проблемы затенения является параллельное подключение шунтирующих диодов ко всем элементам, как это показано на рис. 5. Диоды подключены так, что при работе солнечного элемента они обратно смещены напряжением самого элемента. Поэтому через диод ток не протекает, и батарея функционирует нормально.

Рисунок 5 – Параллельное подключение шунтирующих диодов

Схема работает следующим образом. Предположим, что один из элементов затеняется. При этом диод оказывается прямо смещенным и через него в нагрузку протекает ток в обход неисправного элемента. Конечно, выходное напряжение всей цепочки уменьшится на 0,5 В, но устранится источник саморазрушающей силы для затененного фотоэлемента.

Дополнительное преимущество такой схемы состоит в том, что батарея продолжает нормально функционировать. Без шунтирующих диодов она бы полностью вышла из строя.

На практике нецелесообразно шунтировать каждый элемент батареи. Необходимо руководствоваться соображениями экономии и использовать шунтирующие диоды, исходя из разумного компромисса между надежностью и стоимостью.

Как правило, один диод используют для защиты 1/4 батареи. Таким образом, на всю батарею требуется всего 4 диода. В этом случае эффект затенения будет приводить к 25%–ному (вполне допустимому) снижению выходной мощности.

3. Моделирование солнечной батареи

Электрическая схема (рис. 6), получившая название модель одного диода , отображает элемент солнечной батареи. Данная модель состоит из генератора тока, параллельно которому подключены диод и шунтирующий резистор R_sh (параллельное сопротивление). Помимо них к одному из выводов генератора тока подключено последовательное сопротивление R_s (сериесный резистор).

Рисунок 6 – Электрическая модель (схема замещения) солнечной батареи

Элементы схемы замещения (рис. 6) обозначены следующим образом:

• I_ph – фотогенерируемый ток [A],
• I_d – диодный ток [A],
• U_d – диодное напряжение [В],
• I – выходной ток [A],
• U – напряжение на клемах [В],
• I_sh – шунтирующий ток [A],
• R_sh – параллельное сопротивление [Ом],
• R_s – последовательное сопротивление [A].

Классическая модель полупроводникового фотоэлемента состоит из соединенных параллельно источника фототока и шунтирующего диода. Моделирование солнечной панели производится с использованием элементов программы MATLAB/Simulink, которая представлена на рис. 7.

Рисунок 7 – Модель солнечной батареи в MATLAB/Simulink

На основе данной модели были выполнены расчеты вольтамперных характеристик солнечной батареи типа для условий различной освещенности, при температуре окружающей среды 25 градусов Цельсия.

На рис. 8 представлены расчетные характеристики тока и мощности солнечной панели для уровня освещенности солнечного элемента Е = 1000 Вт/м 2 (при стандартных условиях). Из рисунка видно, что наибольшая эффективность солнечной панели возникает при нагрузке соответствующей фиксированному положению рабочей точки максимальной мощности.

Рисунок 8 – ВАХ и ВВХ в нормальном режиме

Затенение моделировалось при снижении уровня инсоляции. В затененном состоянии модуль также преобразовывает энергию и может отдавать ее в общую цепь, но вольтамперная характеристика солнечного модуля (рис.9) не позволяет использовать его с максимальным КПД, поскольку рабочая точка затененного элемента находится в районе нулевой мощности и вся преобразованная энергия рассеивается в модуле.

Рисунок 9 – ВАХ и ВВХ характеристики при затененном фотоэлементе

Выводы

В работе рассмотрена проблема затенения фотоэлементов и его влияние на работу СЭС, описаны меры предотвращения не эффективной работы СЭС и повышения ее эффективности при условиях различной освещенности. Так же рассматривается модель солнечной панели в среде Matlab/Simulink, на основании которой были выполнены расчеты модельных вольтамперных характеристик солнечной батареи для условий различной освещенности.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена.

Окончательное завершение: июнь 2017 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Источник

Актуальность солнечных батарей

В поисках новых источников энергии люди все чаще обращаются к солнечным батареям. Это отличная замена генераторам различных типов, некоторые из которых могут быть малофункциональным или потенциально опасными для частного дома.

Главное преимущество — это стоимость, так как на солнечные батареи цена сегодня стала не такой уж высокой, и она легко окупается за пару лет. При этом батареи могут без проблем обеспечить энергией загородный дом разной площади, в зависимости от мощности.

Использование солнечных батарей становится все более актуальным сегодня, когда запасы топлива постепенно заканчиваются. Нефти и газа становится все меньше, соответственно, цена на них растет. А со временем запасов не хватит большинству. Да и электричество дорожает с каждым днем.

Тогда как батареи позволяют получить необходимую энергию из постоянного и, что главное, абсолютно бесплатного источника, — света солнца.

Солнечные панели представляют собой несколько фотоэлементов, объединенных между собой. Они преобразуют солнечную энергию в постоянный электрический ток благодаря фотоэлектрическому эффекту.

В основе солнечной панели лежит кремниевый элемент. Именно из-за него стоимость на этот вид оборудования для получения энергии такая высокая. Так как цена кремния остается немалой.

Но есть и более экономичные варианты, с использованием селенидов меди, галлия, индия и т.д.

Солнечные батареи состоят не из одного элемента, а из нескольких сразу, так как одной панели бывает недостаточно, чтобы снабдить энергией целых дом. Поэтому несколько штук собирают в одну конструкцию.

Причем от типа соединения панелей зависит итоговый показатель. Так, если они соединены последовательно, увеличивается напряжение сети. При параллельном соединении увеличивается сила тока.

Общая мощность солнечной батареи зависит от числа соединенных между собой элементов. Чем из больше — тем больше и энергии, которую можно получить и использовать для своего дома.

Также на мощность влияют интенсивность солнечного света (поэтому летом можно получить больше энергии) и угол паления лучей. Последний критерий очень важен, нужно выбрать правильный угол.

Батареи имеют довольно хрупкую поверхность. Поэтому нуждаются в дополнительной защите. Так что фотоэлементы прикрывают специальным корпусом со стеклом. Через него свободно проникает свет, но при этом никаких механических и химических воздействий не производится. Целостность не нарушается.

Рекомендуется использовать батареи не только для получения дополнительной энергии. Их использование выгодно не только для пользователей, но и для всей планеты в целом, так как экономятся природные ресурсы.

К тому же, это оборудование экологически чистое, не вредит окружающей среде.

Источник

Солнечные батареи – актуальность нашего времени

Вступление

Солнечные батареи — одно из гениальных изобретений человека, которое с каждым днем набирает свою популярность и актуальность, и разумеется, неспроста. Природные ресурсы истощаются и это является хорошим стимулом для человека.

Конструкция

Солнечные батареи состоят из нескольких фотоэлементов, соединённых между собой, которые преобразуют солнечную энергию в электрический ток, благодаря фотоэлектрическому эффекту. В состав соленых панелей входит кремний, что и повышает существенно стоимость оборудования. В качестве защиты, панели закрывают стеклом, который обеспечивает безопасность хрупкой конструкции. А для того, чтобы приобретённая энергия накапливалась впрок, необходимы аккумуляторы накопительные. Если у вас в планах покупка оборудования для солнечных панелей или отдельных комплектующих, таких как аккумуляторные батареи, перейдя по ссылке, вы сможете ознакомится с ассортиментом зарекомендовавшего себя производителя.

Плюсы и минусы солнечных батарей

Стоит, пожалуй, начать с того, какие же все-таки преимущества и какие недостатки имеются у солнечных панелей.

Плюсы

Минусы

♥ Гениально простая конструкция панелей, отсутствие подвижных частей, что обеспечивает надежность и стабильную работу.

♥ Солнечные панели не сложные в монтаже и не требуют постоянного обслуживания, лишь время от времени.

♥ Моментальное преобразование солнечной энергии в электрическую.

♥ Солнечные батареи работают целый световой день и даже в пасмурную погоду, разумеется, правда — в пасмурную погоду эффективность производства электроэнергии несколько снижается.

♥ Солнечные панели имеют огромный срок службы счет, которого измеряется десятилетиями.

♥ Экологически чистая электроэнергия, что является крайне актуальным для современного мира. ♥ Высокая стоимость оборудования, не доступна, к сожалению, простому смертному 🙂

♥ В некоторых регионах выработка электроэнергии очень мала, и обеспечить дом электричеством невозможно по причине малой длительности светового дня, погодных условий или расположения местности.

Актуальность использования

Энергию солнечных батарей можно использовать как для освещения дома, так и для отопления, для подзарядки бытовой техники, электротранспорта. Так же панели могут обеспечить электричеством целые поселки, благодаря специально оборудованным станциям. К сожалению, отопить дома, которые находятся в северных регионах не представляется возможным, хотя возможно в качестве экономии чередовать газовое или печное отопление с солнечным. Солнечная энергия экологически чистая и стоит копейки, что обеспечивает окупаемость оборудования. Разумеется, перед установкой, стоит учитывать множество фактов и самый важный из которых, регион проживания и погодные условия в нем. Установив солнечные батареи, можно не зависеть от государства в смысле получения своей электроэнергии и даже отопления.

На этом все, желаю вам хорошо настроения и удачных покупок.

Источник