Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Энергетика мали, состояние и перспективы 12
1.1 Анализ состояния энергетики Мали ..12
1.2 Социальное обоснование развития малой энергетики в Мали 16
1.3. Выбор категорий потребителей солнечной электроэнергии в условиях Мали 18
Выводы.. 32
ГЛАВА II. Выбор преобразователя солнечной энергии 33
2.1 Общие характеристики солнечной энергии .: 33
2.2 Углы, характеризующие движения Солнца 35
2.3 Характерные особенности движения Солнца 37
2.4 Оценка прихода солнечной энергии в Мали 41
2.5 Выбор преобразователя солнечной энергии 52
2.6 Техническая эффективность преобразователей солнечной энергии и способы ее повышения 54
2.7 Выбор типа солнечного фотоэлектрического элемента 60
2.7.1. Плоские фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии 60
2.7.2 Фотоэлектрические преобразователи с концентрацией солнечной энергии и вопросы охлаждения 67
2.8 Разработка конструкции подвижной части гелиоустановки 70
2.9 Повышение выработки энергии фотоэлектрических установок с одноосным слежением за счет наклона ее оси вращения 70
Выводы 78
ГЛАВА III. Автономные фотоэлетрические установки. расчет и моделирование 80
3.1 Постановка задачи... 80
3.2 Режимы работы солнечных батарей 83
3.3 Влияние температуры поверхности солнечной батареи на ее выходные характеристики 92
3.4 Влияние конструктивных особенностей ФЭУ с одноосным азимутальным слежением на схему соединения модулей в фотобатарее 99
3.5 Разработка модели, отражающей состояние аккумуляторной батареи 104
3.6 Анализ работы солнечной батареи, составленной из параллельно и последовательно включенных модулей на аккумуляторную батарею 111
3.7 Модель фотобатареи, отражающая температурное смещение ее параметров 120
3.7.1 Последовательность операций при нахождении оптимальных решений 120
3.7.2 Алгоритм нахождения оптимальной конфигурации фотобатареи и управляющего воздействия, обеспечивающего максимум отдачи ее мощности 124
Выводы 125
ГЛАВА IV. Системы автоматизированного электропривода гелиоустановок 126
4.1 Обоснование принципа дискретно-программного движения (СДП) 126
4.2 Оценка снижения мощности потока солнечной радиации при дискретно - программном движении гелиостата 131
4.3 Основные требования к выбору типа электродвигателя для приводов гелиоустановки 138
4.3.1 Исходные положения 138
4.3.2 Двигатели постоянного тока и вентильные машины 138
4.3.3 Двигатели переменного тока 139
4.4 Выбор мощности электродвигателя для ГЭУ 140
4.4.1 Исходные положения 141
4.4.2 Выбор передаточного отношения редуктора 141
4.4.3 Составляющие момента сопротивления ИМ ГЭУ 141
4.4.4 Определение детерминированных значений моментов сухого и вязкого трения платформы 142
4.5 Расчет составляющих статического момента ГЭУ 146
4.5.1 Расчет момента сухого трения 146
4.5.2 Расчет статических моментов при различных режимах работы ГЭУ 153
4.5.3 Расчет оптимального передаточного отношения редуктора 155
4.6 Робастный синтез систем позиционирования гелиоустановки 156
4.7 Основные задачи микроконтроллерного управления гелиостатом.. 162 Выводы 172
Заключение 174
Литература 176
Приложения 184
- Выбор категорий потребителей солнечной электроэнергии в условиях Мали
- Техническая эффективность преобразователей солнечной энергии и способы ее повышения
- Влияние температуры поверхности солнечной батареи на ее выходные характеристики
- Оценка снижения мощности потока солнечной радиации при дискретно - программном движении гелиостата
Введение к работе
Как показывают данные, приведенные в фундаментальных трудах по исследованию мировой динамики, например [1], весь двадцатый век характеризуется непрерывным ростом народонаселения, максимум которого может быть достигнут в 2020-2100 годах; снижением природных энергоресурсов (нефть, газ, уголь) и возрастающим загрязнением среды обитания человека, (см. рис. В.1). Поэтому все в большей степени в обществе, независимо от конкретной страны, складывается негативное отношение к наличию тепловых и атомных станций и особенно к новому строительству таких объектов.
Годы
Рис.В.1. Кризис истощения природных ресурсов.
Фонды - сумма национальных доходов.
Энергетика является одной из основ развития экономики современного общества. Количество энергии, производимой на душу населения, служит мерой индустриального развития, экономического роста и технического прогресса конкретного государства[2].
Путь человечества в XXI век вымощен энергетическими кризисами. Последний нефтяной кризис (2000г.) как и предыдущие (в 1973, 1979, 1990 г.) лишь показал неустойчивость мировой энергетики. Экономически и политически нестабильности определенных регионов определяют в основном мировую энергетическую конъюнктуру.
Энергетическая проблема - одна из важнейших мировых проблем современности. Она самым непосредственным образом затрагивает развивающиеся страны Африки, Азии и Латинской Америки. Недостаточность производства электроэнергии, ее дороговизна сдерживают не только создание промышленности и перерабатывающих отраслей в сельском хозяйстве этих стран, но и развитие их в целом [3,4].
Освоению и использованию новых видов энергии, в частности солнечной, в настоящей времени во всем мире уделяется большое внимание. Потенциал этого источника в энергетике для многих развивающих стран можно образно сравнить с айсбергом, поскольку на поверхности видно лишь небольшая часть, а наиболее значительная оказывается скрыт.ой в глубине.
Солнечная энергетика, бесспорно, является перспективным направлением энергетики двадцать первого века, в частности для удаленных от энергосистем местностей.
К местам, благоприятным в отношении развития гелиоэнергетики относятся районы тропических и субтропических пустьшь и расположенные там развивающиеся страны Азии, Африки и Америки (см. предложения №1). Многие из этих стран связывают большие надежды с солнечной энергетикой.
Рассмотрим поставленную проблему на примере Мали. Это континентальная страна. Климат Мали - тропический континентальный и частично субэкваториальный. Для него характерны высокие температуры в течение всего года (см. табл. В1) и четкое деление на сухой и дождливый сезоны.
Страна протяженная с низкой плотностью населения (около 8ч/км ).
Уровень потребления энергии на душу населения (32 кВт.ч в год) в шесть раз ниже среднемирового. Основным источниками электроэнергии являются гидроэлектростанции (ГЭС), вырабатывающие 64% общего объема электроэнергии в 1996 года, а также тепловые (ГЭС) и дизельные (ДЭС) электростанции - 34%, Периодические засухи и большие ирригируемые территории, требующие определенного регулирования режимов потребления воды, препятствуют работе ГЭС.
Основным топливом для ТЭС и ДЭС являются нефтепродукты, стоимость которых составляет 14% общего объема импорта страны (в денежным эквиваленте составляет 50,11 млн. долларов) и отнимает 27% ее экспортных доходов [4]. Рост импорта значительно опережает рост экспорта, что приводит к значительной зависимости развития экономики Мали от мирового рынка.
Отметим, что на территории Мали нет нефти, газа или других видов минерального тошшва. Высокие затраты на снабжение нефтью возросли на несколько десятков миллионов долларов в результате девальвации национальной валюты в 1994 г..
Приведенные затраты обеспечивают всего лишь 15% конечного энергетического потребления. При этом данные нефтепродукты потребляются не только при производстве электроэнергии дизельными электростанциями, но и в области транспорта и промышленностью. В настоящее время в Мали электрифицировано всего 10% территории, и потребители электроэнергии сосредоточены в основном в городах.
Таблица Bl: Средняя температура (С) 1/10 в гвдромецентров некоторых крупных городов страны;
год: 1996
В сельской местности, население, шторой составляет 73% населения страны, главным источником энергии является древесина. Основной вид топлива для приготовления пиши как на селе, так и в больших городах — дрова и древесный угол [4,5]. Это наносит огромный экологический ущерб природе страны. Поэтому руководство Мали связывает большие надежды с развитием солнечной энергетики.
Освоение и использование солнечной энергии вовлечет за собой некоторые требования (высокая эффективная работ установок, простота, надежность, низкая себестоимость их производства и т.д.).
Солнечная энергетика сегодня сталкивается с необходимостью повышения КПД гежюустановок из-за невысокой плотности солнечной радиации на поверхности земли и крайней неравномерности поступления солнечной энергии в зависимости от годового цикла, времени суток и условий погоды. Стоимость единицы энергии, получаемой от гелиоустановок (ГЭУ) в настоящее время сравнительно высоко и в большинстве случаев значительно превышает стоимость единицы энергии, получаемой традиционным путем.
Все солнечные установки различного назначения могут быть разделены на два класса: - установки неподвижные, в которых приемник солнечного излучения неподвижен по отношению к земной поверхности; -вращаемые в соответствии с траекторий движения солнца. Последние могут быть с одноосным слежением или с двухосным слежением.
Анализ литератур [8,10,16,18] показывает, что затраты на создание системы слежения гелиоустановки достигают до 60% от общей затраты на строение гелиоустановки.
Отметим также, что условия эксплуатации и обслуживания гелиоустановок различны. В одних случаях это промышленные установки с квалифицированным персоналом и хорошо оснащенной материальной базой, в других случаях, для бытовых и сельскохозяйствееных объектов
эксплуатация этих, наиболее массовых гелиоустановок осуществляется при отсутствии квалифицированного обслуживания и при удаленных ремонтных базах.
Поэтому для успешного решения задачи по внедрению и обеспечению широкого использования в Мали гелиоустановок, требуется разработка прежде всего простых и надежных по конструктивным решениям компоновок ГЭУ, обеспечивающих в тоже время воспримтие гелиостатом максимально возможного потока солнечной энергии, и создание надежных, полностью автоматизированных, ее требующих квалифицированного обслуживания при эксплуатации систем электрооборудования ГЭУ.
Именно это явилось главной целью диссертационной работы, автор которой является гражданином республики Мали.
Мы понимаем, что полное решение этой задачи потребует усилий больших исследовательских и проектных коллективов, но научное обоснование основных решений, определяющих компоновку ГЭУ и основных систем электрооборудования для гаммы маломощных автономных гелиоустановок, предназначенных для конкретных условий экешгуатации, в диссертационной работе могут быть выполнены.
Для достижения поставленной цели потребуется выполнение следующих исследований:
анализ состояния энергетики Мали и определение на основании ппедвапительного маркетинга диапазон мощностей, которые могут пользоваться в Мали наибольшим спросом;
пязпаботка методика расчета интенсивности солнечного потока для условий- Мали-
обоснование типа преобразователя солнечной энергии;
обоснование компоновки и основных конструктивных (компоновочных) решений, обеспечивающих максимум "улавливания" солнечной энергии при минимально возможной их стоимости;
разработка структуры канала преобразования солнечной энергии, определение основных параметров основных узлов этой системы, обоснование принципов регулирования (микроконтроллерного управления), обеспечивающих максимум отдачи выходной электрической мощности при эксплуатации системы в условиях Мали;
разработка принципов слежения гелиоустановки за Солнцем, обеспечивающих максимум выработки энергии при минимально-возможной стоимости системы слежения;
разработка методики по определению параметров основных узлов системы, обеспечивающей слежение гелиоустановки за Солнцем.
Выбор категорий потребителей солнечной электроэнергии в условиях Мали
Состав городского населения Мали включает в основном национальная буржуазия (торговцы, предприниматели), средние слои (мелкая городская буржуазия, служащие и интеллигенция), рабочий класс и городская беднота (маргиналы)[5]. Последнюю группу составляют мигранты из деревень, не нашедшие или потерявшие работы в городе, полубезработные, разорившиеся мелкие торговцы и ремесленники, безработная молодежь. Сюда же входят беженцы, потерявшие места обитания из-за стихийных бедствий (лесных пожаров, продвижения пустынных мест и т.д.).
Мали - является развивающей страной, с сильно выраженным аграрным характером. Более 73% населения страны живут в сельских местностях. Занимаются они земледелием, скотоводством, рыболовством и кустарным производством (профессии ремесленника), садоводством. При этом, для скотоводов характерен не оседлый, а кочевой образ жизни, когда жители перемещаются по стране со стадами в поисках воды и пастбищ. Доходы и уровень жизни рыбаков выше, чем у земледельцев и скотоводов.
В число ремесленников входят кузнецы, ткачи, сапожники, гончары, плотники (изготовление пирог и мебели), каменщики (строители саманных хижин) и др. Жизненный уровень деревенских ремесленников несколько выше, чем у земледельцем.
Мелкая городская буржуазия включает также ремесленников, кустарей, торговцев, владельцев мелких и мельчайших предприятий и фабрик, работающих самостоятельно, использующих 1 -ь 10 наемных рабочих.
Так называемый первичный сектор, который включает земледелие, скотоводство, лесное хозяйство, охоту, собирательство и рыболовство занимает свыше 80% населения, однако в ВВП доля этого сектора составляет лишь 50%. Подавляющая часть сельскохозяйственной продукции потребляется в полунатуральных хозяйствах и идет на экспорт без промышленной переработки.
Вторичный сектор включает промышленность, энергетику, кустарные промыслы, строительство и общественные работы и составляет 15% долю в экономике. Остальная часть - 35 % приходится на сектор услуг. Эти данные получены в 1986 г., однако, несмотря на некоторые изменения, сколько-нибудь серьезных структурных сдвигов в экономике страны до настоящего время не произошло. Анализ данных первичного и вторичного секторов, которые в центре нашего внимания показывают, что в целом сельское хозяйство -наименее развитая отрасль экономики, с самой низкой производительностью труда. В Мали большая часть населения находится за чертой бедности. Проблема борьбы с бедностью одна из главных задач международной организации ООН. Для решения этой проблемы правительством Мали выдвинуты ряд планов и программ. Для ее решения планируется развитие малых промышленных перерабатьгоающих и кустарных производств. Для реализации этого плана осуществлена децентрализация управления [7]. Муниципалитетам, районам, округам и коммунальным советам предоставлена значительная автономия при решении социально-экономических вопросов. Одной из важнейших задач при развитии местной промышленности является нехватка электроэнергии.
Проведенный нами краткий обзор показывает, что часть средств коммунальных советов и международной помощи можно использовать на развитие фотоэлектрических электростанций, используя в экологически чистых преобразователях основной источник энергии в Мали - солнечную радиацию.
Для выбора различных категорий потребителей солнечной электроэнергии в условиях Мали, необходимо учесть некоторые социально-экономические особенности страны. С экономических и политических точек зрения реформа, начатая в последние десять лет, привела к тому, что экономика Мали все больше базируется на частном предпринимательстве. В последние годы (с 1995 г.) правительством Мали производиться приватизация оставшихся еще государственных предприятий. Этим объясняется приватизания в 2000 г. государственной компании ЕДМ (Энергия дю Мали), что привело к созданию ряда частных компаний, занятых производством и распределением электроэнергии [7]. К сожалению, правительство Мали не располагало существенными финансовыми средствами для инвестиций в энергетику страны. Оборудование гидро-, тепло- и дизельных электростанций крайне изношено. Из-за отсутствия собственных сырьевых ресурсов (нефти) дизельное топливо и мазут доставляются к электростанциям более чем за тысячу километров автотранспортом. Это приводит к резкому увеличению стоимости электроэнергии до 20 центов долларов США за 1 кВт-час на теплоэлектростанциях и до 50 центов на дизельных ЭС (для сравнения - в России стоимость кВт-часа в настоящее время (2002 г.) составляет около 2,5 центов). В результате большая часть населения Мали оказалась не в состоянии пользоваться электроэнергией и оплачивать ее. Практически единственным внутренним источником энергии является энергия солнечного излучения. Нами предлагается разработать гамму фотоэлектрических преобразовательных установок (ФЭУ), рассчитанных на эксплуатацию в условиях Мали, с последующей организацией производства, ориентированного на предприятия Мали и России, при финансовой поддержке правительства Мали и международных органшаций. Мы сознаем, что предлагаемый нами путь электрификации страны не является дешевым. Так ФЭУ номинальной установленной мощностью 1 кВт стоит на международном рынке не менее чем R=$5000 USA (далее в тексте 1$USA=1 у.е.). Оценим экономическую эффективность применения подобной установки.
Техническая эффективность преобразователей солнечной энергии и способы ее повышения
Для фотоэлектрических преобразователей (солнечных элементов), которые фактически являются прямым преобразователями высокотемпературного теплового излучения в электрическую, предельный КПД согласно выражению (2.20), в котором последним членом суммы в правой части можно пренебречь как величиной второго порядка малости, определяется соотношением где Тотв=Тсэ - равновесная температура освещенного солнечного элемента, от которого не отводиться электроэнергия.
При характерной для СЭ равновесной температуре 3Q0-5GQK их предельный КПД составляет 0,93-0,885. Это означает, что если в результате оптимизации структуры и параметров удастся свести к минимуму необратимые потери энергии в СЭ и поднять их эксергетический КПД це. до реализованных в лучших преобразователях тепловой энергии значений порядка 0,5-0,6, то полный эффективный КПД СЭ r\C3=T]nped.T}e. может достигнуть 50% и более.
Теоретические исследования и практические разработки последних лет в области фотоэлектрического преобразования солнечной энергии показали, что получение таких КПД СЭ является вполне реальной задачей. Работа по повышению эффективности ФЭП ведется в четырех направлениях [26]:
Первое связано с поиском химических соединений (кроме традиционньїх кремниевых), обладающих низкими энергиями выхода электронов. Так, уже найдены варианты ФЭУ из арсенида галлия, которые при прочих равных условиях имеют КПД 27% [І І].
Второе направление связано с совершенствованием технологии оборки ФЭП, в частности, связанной с монтажом отдельных элементов ФЭП в составе "батареи". Известно, что создающийся в результате направленного движения зарядов электрический ток можно отвести, если к внешним поверхностям обычной двухслойной структуры ФЭП подвести проводники. К сожалению, поскольку в обычном солнечном элементе эти проводники "закрывают" поверхность полупроводника, какая-то часть света неизбежно блокируется и не падает на поверхность. Кроме того, присутствие атомов легирующих элементов в областях кремния, расположенных непосредственно вблизи тех мест, где подсоединены отводящие ток проводники, приводит к тому, что свободные электроны рекомбинируют с дырками, и в результате электрический ток уменьшается. Это явление дополнительно снижает КПД солнечных элементов.
Исследователям Стенфордского Университета [26] удалось уменьшить потери, обусловленные как первой, так и второй причинами путем легирования крошечных областей с внутренней стороны слоя двуокиси кремния. Тонкие "нити" осажденного алюминия выполняют роль токосъемников на крошечных Р iN -областях.
Такая необычная конструкция исключает "загораживание" падающего на внешнюю поверхность солнечного света и сводит к минимуму размер областей, подвергаемых легированию. В результате изготовленный в Стенфор деком Университете солнечный элемент имеет КПД 29% при освещении направленным светом [26].
Третьим направлением является высокоэффективное разложение спектра излучения Солнца. В первых экспериментах по расщеплению и фотопреобразованию проводимых в 1Ф80 году, использовались оптические дихроичные фильтры для разделения входящего солнечного луча на два различных луча с различными интервалами длин волн. Для преобразования света с различными интервалами длин волн в электрическую энергию применялись элементы с большой шириной запрещенной зоны и кремниевые элементы. Эффективность дихроичного фильтра и двух элементов, работавших совместно, составила около 25% . Хотя этот метод показал работоспособность данного варианта расщепления спектра, стоимость и сложность результирующей системы пока что препятствует ее внедрению.
Более простое решение состоит в использовании сборных приборов, в которых "верхний11 элемент "этажерки" работает как оптический фильтр, превращая протоны с высокой энергией в ток, и при этом пропуская протоны с оолее низкой энергией к нижнему элементу. Продемонстрированное значение КПД такого прибора составляет 24,7%. В этом, механически собранном приборе, используется сверху элемент, созданный из арсенида галлия, а внизу -кремниевый элемент. На этом сборном элементе предполагается достичь КПД 27% и показать, что в приборе с многократным соединением можно достичь более высокого КПД, чем в лучшем элементе с одним переходом, изготовленном на настоящий момент.
Четвертое направление развития - это концентрация потока на ФЭП. Суть эффективности этого направления в том, что дорогостоящая площадь ФЭП заменяется площадью концентратора с меньшей себестоимостью, а КПД такого модуля равно произведению КПД ФЭП и оптической эффективности концентратора В настоящее время известны ГЭУ с ФЭП, в которых реализована 1000-кратная концентрация солнечного потока. При этом, очевидно, что чем выше концентрация, тем жестче требования к точности систем слежения за Солнцем. Относительные требования по точности к различным преобразователям ГЭУ формированы в табл.2.5 [12]. Учитывая, что для условий Мали требуются, как показано выше, установки с выходной мощностью до 10 -г- 15 кВт, можно считать наиболее подходящими для создания этих установок фотоэлектрические преобразователи.
Влияние температуры поверхности солнечной батареи на ее выходные характеристики
Система электрооборудования фотоэлектрических установок, осуществляющая преобразование солнечной энергии в электрическую, ее накопление, хранение и последующее преобразование постоянного напряжения в выходное переменное напряжение, достаточно отработана и выпускается в комплексе, либо отдельные узлами, десятками фирм в мире, в том числе и в России.
Блок-схема канала преобразования солнечной энергии показана на рис.3.1. Принятые нарис. 3.1 условные обозначения: ГС — гелиостат. Это вращающаяся платформа с размещенной на ней фотоэлектрической батареей (ФЭБ); К - контроллер, осуществляющий стабилизацию выходного напряжения ФЭБ и обеспечивающий режим заряда аккумуляторной батареи (АБ). К АБ могут напрямую подключаться нагрузки постоянного тока (Н=). И - полупроводниковый инвертор, осуществляющий преобразование постоянного напряжения АБ в выходное переменное, обычно стабилизированное напряжение. К И подключены нагрузки переменного тока ОН Как правило, при разработке новых ФЭУ, предназначенных для конкретных потребителей, инженеры фирм-дистрибъютеров решают ряд иногда не простых инженерных задач. Этапы этой работы следующие: 1. Оценивается ежеквартальная (ежемесячная в некоторых случаях) потребность в электроэнергии заказчика и предварительно определяется требуемая мощность ФЭУ; 2. С учетом географической широты месторасположения объекта и наличия на объекте свободной территории для размещения установки решается вопрос конструктивной компоновки ФЭУ: неподвижная на крышах зданий, с одноосным слежением за Солнцем, с двухкоординатной системой. Причем тип фотоэлектрических батарей, как правило, не выбирается, так как он однозначно определен фирмой-производителем, с которой связана фирма-дистрибъютер. 3. Рассчитывается график ежеквартального (иногда ежемесячного) значения удельной мощности светового потока, поступающего на поверхность фотобатарей, с учетом географической широты места, погодных метеоусловий (вероятных значений затенения фотобатарей облачностью и коэффициента прозрачности атмосферы), конструктивной компоновки ФЭУ и технико-экономических характеристик фотоэлектрических батарей. Уточняется с учетом полученной зависимости ожидаемая выработка электроэнергии и окончательно с учетом графика нагрузок решается вопрос о необходимой площади устанавливаемых фотоэлектрических батарей, т.е. о номинальной мощности ФЭУ, Примечание. Номинальная мощность ФЭУ определяется произведением площади фотобатарей на их максимальную удельную выходную мощность, снимаемую с них при освещении световым потоком нормальным к поверхности батарей и имеющим мощность 1000 Вт/м2. То есть номинальная мощность Рн не зависит не от условий эксплуатации, ни от конструктивной компоновки ФЭУ. 4. Сопоставляя временные суточные графики ожидаемой выработки электроэнергии и электропотребления на объекте для всех сезонов года (иногда для каждого из месяцев года) определяются максимально необходимые запасы накопления электроэнергии для вечернего и ночного времени и с учетом коэффициентов отдачи энергии (Г}АБ) оценивается требуемая емкость аккумуляторной батареи. 5. Выбираются по максимальной выходной мощности, коэффициенту допустимых токовых перегрузок и необходимых рабочих напряжений контроллер, обеспечивающий режим заряда и контроль состояния АБ и выходной инвертор (при наличии у потребителя нагрузок переменного тока). 6. Прощводиться выбор сигнального, информационного, диагностического и защитного электрооборудования и других необходимых вспомогательных элементов, датчиков и систем. Фирмы, производящие ФЭУ, не раскрывают своих внутренних документов и в технической литературе нами не найдено научно-обоснованных полных методик разработки и проектирования ФЭУ. Обычно сообщения носят рекламный характер и в них указываются некоторые техническо-эшномические параметры и некоторые эксплутационные характеристики ФЭУ. И хотя эта задачу представляет известный интерес и некоторые из ее этапов решались в данной работе, например при выборе оптимальной компоновки и конструкции ФЭУ, мы при исследовании электрооборудования канала преобразования солнечной энерши ставим для решения другие задачи: Какие зкєшіутаїїиониьіе факторы в условиях Мали могут повлиять на выработку электроэнергии, производимой ФЭУ? Как оптимизировать вьгработку ФЭУ при данном световом потоке? В второй главе на основании сршнительного анализа технико-экономических показателей фотоэлектрических преобразователей различных типов, производимых европейскими и российскими фирмами было принято решение ориентироваться на солнечные фотоэлектрические модули ФСМ-30-12 разработки Всероссийского НИИ электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ).
Солнечные модули состоят из отдельных фотоэлементов, соединяемых последовательно для получения заданного напряжения модуля и параллельно, что обеспечивает необходимую нагрузочную способность модуля по току. В свою очередь, солнечные модули, размещаемые на платформе гелиостата, соединяются последовательно с числом ппос для получения требуемого напряжения фотобатареи (UH=12,5 В при-Пи»-!, UH=25 В при Пдас =2, UH=50 В при Пжхг , UH=75 В при ппос=6).
Оценка снижения мощности потока солнечной радиации при дискретно - программном движении гелиостата
В системах слежения ГЭУ можно применить любые электрические двигатели (ЭД): постоянного или переменного тока; шаговые, обладающие большим вращающим моментом; машины двойного питания, или с электромагнитной редукцией.
В некоторых источниках [27,65] указывается, что мощность, потребляемая следящими системами, не должна превышать 10% номинальной мощности ГЭУ. Современная номенклатура электрических машин позволяет иметь широкий выбор электродвигателей для конкретного технологического процесса. Но в стоимости узлов ГЭУ существенную долю составляют приводы. Поэтому важен единый грамотный и комплексный подход к выбору всех ее блоков и, следовательно, к выбору типа и структуры привода. Проведем краткий анализ возможности использования в ГЭУ электродвигателей различного типа. Оценим свойства двигателей постоянного тока (ДПТ) и бесконтактных моментаых двигателей (ДБМ) (вентильных машин) в дискретных позиционных (СДП) и следящих системах (СС). Электроприводы с ДПТ часто используются в системах управления. Они имеют хорошие регулировочные свойства и динамические характеристики. Поэтому на них строят маломощные следящие привода. Однако при их относительной простоте, имеются недостатки, связанные с конструктивными особенностями ДПТ. К ним относятся: щеточно-коллекторный узел, снижающий надежность в целом СС и повышающий затраты на ее обслуживание, высокая номинальная частота вращения двигателя, что вызывает необходимость иметь редуктор с большим передаточным числом. Это существенно удорожает конструкцию СС и вводит в ее математическую модель нелинейное (люфт) многозначное упруго - диссипативное звено. В настоящее время промышленность выпускает маломощные ДПТ (5 ч-370) Вт с ресурсом 20000 ч и сроком службы 12 лет. Представляется целесообразным применять такие машины в СД и СС гелиоустановок, так как ресурс работы солнечных батарей оценивается в (10 -г-15) лет. Предпочтительно также использовать бесконтактные вентильные (моментные) двигателей. Их положительные свойства состоят в следующем: - регулировочные характеристики ДБМ, близки к характеристикам ДПТ; - повышенная надежность этих машин, обусловлена отсутствием механического коллектора; - возможна продолжительная работа машин при малой частоте вращения, что позволяет уменьшить передаточное число редуктора; - хороши массогабаритные, динамические и удовлетворительны энергетические показатели машин. Промышленная серия ДБМ имеет 17 типоразмеров с пазовым статором, номинальным моментом (Мном) от 0,04 Н-м до 16 Н м, с частотой вращения (пном) от 6300 об/мин до 143 об/мин. Серия машин ДБМ с гладким статором включает 9 типоразмеров с МщмКОДН -f-1,6) Н м и пНОм=(9150 - - 457) об/мин. Напряжение питания 27 В. Срок службы (30 -s- 50)-103 часов. Однако традиционно следящие системы для ГЭУ принято строить на МПТ. Это обусловлено тем, что машины типа ДБМ некомплектны и ее основные элементы (статор и ротор) предназначены конструктивно для встраивания в детали ИМ или другие базовые конструкции. Для ГЭУ такое техническое решение неудачно. Преимущества двигателей переменного тока общеизвестны. Это: бесконтактность, высокая надежность, лучшие массогабаритные показатели и меньшая стоимость. Однако, для ГЭУ выходным напряжением является напряжение постоянного тока. Для получения переменного тока приходится использовать полупроводниковые инверторы регулируемой частоты. Для автономной гелиоустановки, потери (10-г20)% вырабатываемой мощности, которые необходимо затратить для питания следящей системы переменного тока оказываются достаточно велики. Поэтому, в следящих приводах ГЭУ двигатели переменного тока не нашли широкого применения. 4.4. Выбор мощности электродвигателя для ГЭУ 4.4.1. Исходные положения Проанализировав условия работы ГЭУ и требования к их системам электропривода 63,64,65], мы пришли к выводу, что типовые методы выбора их мощности, основанные на нагреве электромашины, [35], малопригодны для этих энергетических установок. Нами доказано (см.раздел 4.1), что непрерывное автосопровождение исполнительного механизма в ГЭУ такого класса нецелесообразно. Кроме того, питание двигателя от аккумуляторной батареи накладывает дополнительные условия на выбор его мощности и величину напряжения. Поэтому отнесем позиционные и следящие системы ГЭУ не к силовым приводам, а к приводам воспроизведения движения [35]. Тогда основными режимами работы СДП и СС, определяющими выбор мощности их двигателей, будем считать аварийный, связанный с быстрым перебросом платформы из любого рабочего положения в горизонтальное (вниз «лицом» солнечных элементов) и режим иозйцйонировавия платформы при дискретном управлении. При этом требуется определить все составляющие моментов, присущие этим режимам работы установки. Тогда определяющими мощность двигателя являются два фактора: 1. Выбор оптимального передаточного отношения редуктора. 2. Определение составляющих моментов сопротивления, присущих этим режимам работы, и момента ветровой нагрузки.
