Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературных источников по теме диссертации 11
1.1 Солнечная энергия 11
1.1.1 Традиционное использование фотопреобразователей 11
1.1.2 Солнечные энергоустановки 14
1.1.3 Солнечный бойлер 18
1.1.4 Солнечные энергоустановки для республики Ирак 21
1.2 Анализ существующих технологий в водоснабжении. 22
1.2.1 Наиболее распространенные системы водоснабжения и их недостатки 22
1.2.2 Система водоснабжения без водонапорной башни 24
1.2.3 Система водоснабжения с водонапорной башней 25
1.2.4 Недостатки водонапорных башен 26
1.2.5 Система водоснабжения с насосами второго подъема и запасом воды в незамерзающих резервуарах 27
1.2.6 Недостатки действующих водозаборов второго подъема 29
1.3 Использование альтернативных источников энергии в системах водоснабжения 30
1.3.1 Тепловой паровакуумный насос 30
1.3.2 Насос Мушо 33
1.3.3 Солнечный насос по принципу поршневого двигателя с циклом Ренкина
1.4 Обзор солнечной радиации в Ираке 35
1.5 Постановка задачи по диссертационному исследованию 43
1.6 Выводы по 1 главе 44
ГЛАВА 2. Насосные системы водоснабжения, работающие на солнечных батареях в условиях ирака 46
2.1 Введение 46
2.2 Суточная потребность в воде 46
2.3 Объем резервуара для хранения 48
2.4 Характеристики фотопреобразователей
2.4.1 Типы солнечных элементов 50
2.4.2 Характеристики фотопреобразователей 53
2.4.3 Подключение солнечных панелей последовательно 54
2.4.4 Подключение солнечных панелей параллельно 55
2.4.5 Точки максимальной мощности 57
2.4.6 Влияние температуры на работу фотопреобразователей 57
2.5 Фотоэлектрические насосы 58
2.5.1 Водяные насосы, работающие на фотоэлектрических элементах з
2.5.2 Виды фотоэлектрических насосных систем 60
2.6 Требуемые характеристики насоса 63
2.7 Расход водыи мощность насоса 67
2.8 Выводы по главе 2 68
ГЛАВА 3. Анализ солнечной радиации в условиях ирака 69
3.1 Введение 69
3.2 Солнечная энергия в Ираке и арабском регионе 70
3.3 Анализ солнечной радиации в условиях Ирака, г. Ростова-на-Дону и г. Москва (Россия) 75
3.4 Углы поступления солнечной энергии на поверхность земли 83
3.5 Расчет суточной солнечной энергии 84
3.6 Результаты расчета солнечной радиации по компьютерной программе 87
3.7 Оптимальные углы наклона панелей 91
3.8 Солнечная радиация при оптимальных углах наклона панелей 96
3.9 Выводы по главе 3 110
ГЛАВА 4. Расчеты панелей солнечных энергоустановок 111
4.1 Электроэнергия, произведенная из солнечных панелей в разные месяцы года 111
4.2 Расчет количества панелей солнечной радиации для различных нагрузок и различных регионов 115
4.3 Экономические затраты на установку солнечных панелей 123
4.4 Выводы по главе 4 125
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования и анализ результатов 126
5.1 Экспериментальная установка и программа исследований, проведенных на ней 126
5.1.1 Солнечные панели 126
5.1.2 Насос 127
5.1.3 Измерительные приборы, используемые при проведении экспериментальных исследований 128
5.1.4 Результаты измерений 128
5.2 Выводы по главе 5 138
Заключение 139
Список литературы 141
- Традиционное использование фотопреобразователей
- Характеристики фотопреобразователей
- Анализ солнечной радиации в условиях Ирака, г. Ростова-на-Дону и г. Москва (Россия)
- Расчет количества панелей солнечной радиации для различных нагрузок и различных регионов
Введение к работе
Актуальность работы. Энергетика в настоящее время находится в той стадии развития, когда все в большей степени становятся востребованными нетрадиционные энергетические технологии (возобновляемые источники энергии). Это связано с тем, что природные ресурсы, основанные на использовании органических веществ, таких как уголь, нефть и природный газ, истощаются. В то же время существует практически не истощаемый источник энергии. Прежде всего, это солнечная энергия.
Республика Ирак находится в том поясе Земли, где солнечная активность максимальная. Таким образом, здесь складываются наиболее благоприятные условия для использования энергоустановок на базе преобразования солнечной радиации. Всёвышесказанное определяет актуальность данного исследования.
Степень разработанности темы. Впервые об использовании солнечной радиации в фотоэлементах было заявлено французским физиком Беккерелем в 1839 году. Однако применение первого фотоэлемента было отмечено только в 1883 году Чарльзом Фритцем. Эффективность этого устройства составляла всего около 1%. В 1888 году русский физик А. Столетов создал первую ячейку на основе внешнего фотоэффекта,который был открыт Генрихом Герцем в 1887 г. Рассел Уль в 1941 году получил патент на полупроводники на основе керамики, которые используются в современных солнечных батареях. Освоение современных фотоэлементов было начато в 1954 году в лаборатории Белла. В 1965 году было первое практическое применение усовершенствованных арсенид-галлиевых солнечных батарей для энергетических целей. Они обеспечивали электроснабжение советских космических аппаратов. Российскими учеными была разработана технология фотопреобразователей с двусторонней чувствительностью. Стоимость электроэнергии за один Вт час в этом случае была снижена до 100 долларов США. До этого момента все спутники оснащались солнечными батареями, изготовленными на основе кремния. КПД их достиг 10% и примерно два десятилетия держался на этом уровне. В 1989 году была разработана специальная технология производства солнечных фотоэлементов наземного применения. В Краснодарском крае построили «солнечную деревню» мощностью 40 кВт. В 1995 году стоимость за один Вт час солнечной электроэнергии снизилась до 15 долларов США. Во всех развитых странах начались усиленные разработки в области солнечной электроэнергетики. Основной целью этих работ было снижение стоимости производства электричества от солнечных панелей. К этому моменту КПД солнечных фотоэлементов удалось поднять до 15%. В научном центре Цу-куба (Япония) к 2007 году создана крупнейшая солнечная электростанция, способная бесперебойно обеспечивать электричеством 300 семей в год.
Солнечная фотопреобразовательная система может использовать альтернативный и экологически чистый источник энергии, позволяющий предотвратить выброс в атмосферу каких-либо вредных веществ. В настоящее время работы по солнечным преобразователям продолжают компании Эксон, Арко, Шелл, Амоко, Мобил и др.
Географическое положение и климат Ирака дают возможности для использования ресурсов солнечной радиации. Работы по их применению в Ираке находятся в начальной стадии как для использования на крупных энергоустановках, так и для малых автономных потребителей. Настоящая работа посвящена практическому применению солнечных энергетических установок для водоснабжения потребителей в климатических условиях Ирака. В диссертации определены возможности солнечной радиации в регионе; разработаны варианты схем солнечных энергоустановок; даны рекомендации по применению и регулированию процессов энергоснабжения.
Цель работы: Разработка энергокомплекса для автономного водоснабжения потребителей в климатических условиях Ирака на базе фотоэлектрических преобразователей энергии.
Задачи исследования:
проведение системного анализа существующей в настоящее время информации по солнечным энергоустановкам и характеристикам солнечной радиации в климатической зоне Ирака;
анализ солнечного излучения (солнечная радиация) в различных регионах и широтах;
создание эффективного алгоритма для использования солнечной радиации и проектирования энергоустановок в условиях регионального климата Ирака;
разработка технических решений по использованию солнечной энергии для производства электроэнергии и водоснабжения в различных регионах Ирака.
Научная новизна работы:
-
Разработан метод математического расчета суточной почасовой солнечной радиации для каждого месяца года и количества солнечных панелей с учетом прямой и рассеянной солнечной радиации в климатических условиях Ирака, их наклона к уровню горизонта и требований водоснабжения. Данный метод отличается от известных ранее тем, что учитывает особенности конструкции солнечных батарей и определяет количество электроэнергии, произведенной ими для потребностей водоснабжения.
-
Определены оптимальные углы наклона панелей для всех регионов Ирака. Например, для центрального региона максимальные солнечные излучения можно получать при практически не изменяющемся угле наклона, равном 60 в период с 15 ноября по 15 января. Но в период с 15 января по 15 мая наклон панелей изменяется от 60 до 0, а с 15 июля по 15 ноября возрастает от 0 до 60.
-
Разработаны технологическая схема и режимы работы солнечной системы водоснабжения потребителей, учитывающие, то, что максимальная солнечная активность совпадает с наибольшей потребностью в водоснабжении, что позволяет солнечные энергокомплексы активно использовать для водоснабжения в световой день летнего периода в климатических условиях, практически всех регионов Ирака, не имеющих центральных электрических сетей.
Практическая значимость работы:
разработана компьютерная программа для расчета суточной почасовой солнечной радиации для различных регионов Ирака и для каждого месяца года;
решена задача расчета и применения солнечных панелей для автономного водоснабжения потребителей в условиях Ирака;
разработана энергетическая система водоснабжения с использованием солнечной энергии для отдаленных районов, не имеющих центральных электрических сетей;
предложенные методические разработки по расчету солнечных панелей для солнечных энергоустановок рекомендуется использовать в организациях, занимающихся проектированием и их установкой.
Положения, выносимые на защиту:
метод математического расчета суточной почасовой солнечной радиации для каждого месяца года и количества солнечных панелей с учетом прямой и рассеянной солнечной радиации в климатических условиях Ирака;
новые технические решения по применению солнечных энергоустановок для водоснабжения и орошения в условиях Ирака;
определение оптимальных углов наклона солнечных панелей для всех регионов Ирака;
компьютерная программа для расчета солнечного излучения и количества фотопреобразователей в различных регионах Ирака и России.
Достоверность и обоснованность полученных результатов: Степень достоверности полученных результатов высокая, так как обеспечивается применением передовых компьютерных средств численного моделирования на базе апробированных математических моделей, широко используемых в вычислительных задачах, и хорошим соответствием получаемых результатов с экспериментальными данными. Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается корректностью допущений математических моделей с применением современных вычислительных средств (Microsoft Visual Basic 6.0, Microsoft Excel, AutoCAD 2010, Grapher, Statistica 10). Адекватность математических моделей подтверждается удовлетворительным совпадением их результатов с экспериментальными данными в широком диапазоне изменения характерных параметров.
Реализация результатов исследования.
Результаты диссертационной работы получили внедрение:
в университете Мосул по практическому использованию результатов работы (имеется акт внедрения);
в Министерстве водных ресурсов Ирака - при проектировании водо- и электроснабжения в г. Мосул (имеется акт внедрения);
на курсах дисциплин «Нетрадиционная энергетика» и «Природоохранные технологии в энергетике», проводимых для бакалавров на кафедре ТЭСиТЮРГ-ПУ (НПИ) (имеется акт внедрения).
Апробация работы: Основные результаты научных исследований докладывались:
на II Международной научной конференции (Наука. Образование. Культура. Вклад молодых исследователей), ЮРГПУ (НПИ), Новочеркасск, 2013;
на Региональной научно-технической конференции (Студенческая научная весна - 2014), ЮРГПУ (НПИ), Новочеркасск, 2014;
на XII Международной научно-практической конференции (Современные энергетические системы и комплексы и управление ими), ЮРГПУ (НПИ), Новочеркасск, 2014;
на Региональной научно-технической конференции (Студенческая научная весна - 2015), ЮРГПУ (НПИ), Новочеркасск, 2015;
на XXXVII Международной заочной научно-практической конференции (Научная дискуссия: вопросы технических наук), Москва, 2015.
Личный вклад автора состоит:
в проведении системного анализа существующей в настоящее время информации о солнечных энергоустановках, в том числе в условиях Ирака и России;
в разработке компьютерных программ расчета характеристик солнечной радиации и солнечных энергоустановок в условиях Ирака;
в создании экспериментального стенда и проведении исследований с насосами водоснабжения, работающими на солнечной энергии.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 5 в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Объем работы и ее структура: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и 6 приложений. Содержит 167 страниц, 94 иллюстраций, 19 таблиц. Список используемых источников включает 108 наименований.
Традиционное использование фотопреобразователей
Один из самых привлекательных способов использования солнечной энергии — непосредственное превращение ее в электрическую энергию в полупроводниковых фотопреобразователях (солнечных батареях). Они экологически чисты, долговечны, просты в эксплуатации, совершенно автономны, не связаны с подведением коммуникаций и могут давать электроэнергию практически в любом месте. Все это делает солнечные батареи незаменимыми для питания отдельных относительно маломощных потребителей — осветительных приборов, речных бакенов, маяков, различных устройств связи в редконаселенной местности.
Преобразование солнечной энергии есть важнейшее направление нетрадиционной энергетики [1]. Следует отметить, что солнечная энергия является доступной и экологически чистой энергией. При этом преобразование солнечной энергии не всегда целесообразно, так как солнечные преобразователи являются дорогостоящими элементами. Снижение себестоимости и повышение электрических характеристик является актуальной проблемой на сегодняшний день.
Для получения солнечной энергии переменного тока очень эффективен фотоэлектрический метод преобразования [2], где используются солнечные батареи, которые называются фотопреобразователями. За последние годы разработаны фотопреобразователи, у которых существенно возросли электрические характеристики и КПД, в частности можно отметить солнечный модуль АСЕ-50, разработанный фирмой «Ветроэнергетика» [3]. Модуль содержит 36 монокристаллических силиконовых солнечных клеток. Фронтальная поверхность модуля покрыта высокопрозрачным закаленным стеклом для защиты от механических и климатических воздействий. Один модуль площадью 0,4814 м2 (1,042 х 0,462 м.) преобразует солнечную энергию в электрическую с напряжением 17 В и током 2,88 А.
Известно множество различных схем преобразования постоянного тока в переменный промышленной частоты [4]. Анализ этих схем показывает, что для преобразования постоянного в переменный ток эффективнее использовать ступенчатое преобразование. Если использовать модули АСЕ-50 для преобразования солнечной энергии, то можно создать схему из последовательно соединенных (n) солнечных модулей, которые будут вырабатывать в n-раз больше напряжение, а параллельно соединенные (m) солнечных модули дает возможность получать в m-раз больше тока. В системе будет задействовано (m х n) солнечных модулей.
Прогнозируется, что к 2030 году установленная мощность солнечных энергетических систем (СЭС), использующих фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии, увеличится в мире до 300 гВт [5].
Использование всего лишь 0,0125% количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5 % - полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества, нужно разместить их на территории 130 000 км2. Необходимость использовать коллекторы огромных размеров влечет за собой значительные материальные затраты.
Солнечные батареи используют в качестве источников энергии в электронных часах, микрокалькуляторах, транзисторных приемниках и переносных телевизорах. Наконец, эти батареи найдут широкое применение в сельском хозяйстве, прежде всего в тех районах, где нужно снабжать энергией большую территорию с малой плотностью нагрузок (несколько киловатт на квадратный километр). При таких условиях затраты на сооружение распределительных сетей составляют до 70% от общих затрат на энергоснабжение, и поэтому выгоднее применять (особенно если они относительно дешевы) автономные источники энергии.
Электростанции с бензиновыми и дизельными двигателями не всегда эффективны, так как требуют периодической доставки горючего в отдаленные и труднодоступные районы, и поэтому уже сегодня фотопреобразователи могут успешно конкурировать с ними. Они эффективны, в частности в системах ирригации и водоснабжения, где задача аккумулирования энергии решается очень просто — созданием запаса воды. Однако солнечных батарей пока производится недостаточно.
Рост их производства сдерживается в первую очередь из-за высокой стоимости готового фотопреобразователя, значительную часть которой (больше половины) составляет стоимость заготовки из полупроводникового кремния. Кремний — самый распространенный элемент на земле после кислорода, причем имеются месторождения кварцевого песка очень высокой чистоты, извлекать из которого кристаллический кремний можно без особого труда. Но для производства солнечных батарей требуются тонкие пластины кремния, а их получить сложно. Современная технология изготовления кремниевых пластин включает резку цилиндрического кристалла на диски, их последующую шлифовку и полировку, раскрой на заготовки для фотопреобразователей [6].
Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относятся к 80-м годам прошлого столетия. Крупнейших успехов в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт. Также в Калифорнии, в 1994 году введено еще 480 МВт электрической мощности, причем стоимость 1 кВт/ч энергии – 7–8 центов. Это ниже, чем на традиционных станциях. В ночные часы и зимой энергию дает в основном газ, а летом и в дневные часы – солнце. Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве партнера солнечной энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива. Наиболее вероятной «кандидатурой» является водород. Его получение с использованием солнечной энергии, например, путем электролиза воды может быть достаточно дешевым, а сам газ, обладающий высокой теплотворной способностью, легко транспортировать и длительно хранить. Отсюда вывод: наиболее экономичная возможность использования солнечной энергии, которая просматривается сегодня – направлять ее для получения вторичных видов энергии в солнечных районах земного шара, в частности и в Ираке. Полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие районы. Быстрое развитие гелиоэнергетики стало возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователей в расчете на один ватт установленной мощности с 1000 долларов в 1970 году до 3 – 5 долларов в 1997 году и повышению их КПД с 5 до 18%. Уменьшение стоимости солнечного ватта до 50 центов позволит гелиоустановкам конкурировать с другими автономными источниками энергии, например, с дизельэлектростанциями.
Характеристики фотопреобразователей
Схема подключения солнечных панелей параллельно (а); параметры при подключении солнечных панелей параллельно (б). Энергия, вырабатываемая от одного солнечного элемента, очень мала, поэтому фотоэлементы необходимо подключать параллельно с последовательным подсоединением блоков панелей, для того чтобы получить необходимую энергию. s
Рабочая температура модуля фотопреобразователя определяется в энергетическом балансе. Солнечная энергия, которая поглощается в модуле, частично преобразуется в тепловую энергию, а частично в электрическую энергию, которая удаляется из панели через внешнюю цепь. Тепловая энергия должна быть рассеяна посредством комбинации механизмов теплопередачи, так как перенос тепла от модуля должен быть максимальным, так что панель будут работать при самой низко возможной температуре. В некоторых конструкциях массива ячейка работает при повышенных уровнях радиации с использованием линейных или круговых концентраторов. Регулирование температуры может быть повышено за счет водяного охлаждения. В этих случаях коэффициент потерь должен быть изменен с учетом дополнительного механизма передачи тепла и в зависимости от температуры радиатора, в котором эта передача тепла происходит. Она не может быть равна температуре окружающей среды. Рисунок 2.8 показывает влияние температуры на графике I-U при фиксированном излучении.
Влияние температуры на параметры фотопреобразователя Повышение температуры приводит к снижению напряжения разомкнутой цепи и к незначительному повышению тока короткого замыкания. Для любого времени суток (/) выходная мощность фотопреобразователей равна Pj=AcxGJ rimexile9 (2.9) где Ас - площадь солнечной панели, м2; G}- - солнечная радиация, падающая на панель, Вт/м2; цте - коэффициент, учитывающий влияние температуры воздуха; це - эффективное КПД панелей. 2.5 Фотоэлектрические насосы Фотоэлектрические насосы используются в трех основных вариантах: - для питания водой жилых поселков; - для водоснабжения животноводческих ферм; - для орошения сельскохозяйственных земель.
Водяные насосы, работающие на фотоэлектрических элементах Использование фотоэлектрических элементов для водоснабжения децентрализованного потребителя в удаленных районах - одно из важнейших применений этих систем с точки зрения экономической целесообразности. Ее применение возможно для отдельно стоящих домов для подачи воды из колодцев и источников или аккумуляция этой воды в емкости. Фотоэлектрические системы могут применяться для водонагрева в солнечных энергоустановках-нагревателях или орошения земли и для других целей. Система подачи воды на фотоэлектрических элементах состоит из облегченной разновидности набора фотоэлектрических элементов и связанными с ними насосами, работающими на постоянном токе [34]. На рисунке 2.9 представлена насосная система на фотоэлектрических элементах, в которой электрическая часть фотоэлектрической системы создает напряжение электрического тока, необходимого для запуска двигателя. В гидравлической части насос создает давление Осн, которое заставляет поток воды проходить через трубу с расходом жидкости Q и в определенном направлении.
Принцип работы насосной системы на фотоэлектрических элементах На рисунке 2.9 изображена циркуляция движения воды (закрытая система). Возможно и создание открытой сети, где поднимающаяся вода переходит с одного уровня на другой, покидая цепь (открытая система).
Этот тип насосов считается наиболее распространенным в фотоэлектрических насосных системах, которые используются для подачи питьевой воды индивидуальному потребителю. Эти насосы легко устанавливать по схеме, показанной на рисунке 2.10. Возможно использование двигателя, работающего как на постоянном, так и на переменном токе, а также встроенного в "тело" насоса с инвертором, когда мотор работает на переменном токе.
Преимущество систем этого типа в том, что легко переместить мотор и проводить его техническое обслуживание. Но недостаток этой системы в больших потерях энергии, так как необходимо обеспечивать вращательное движение между мотором и насосом. На рисунке 2.11 представлена насосная система, использующая фотоэлектрический погружной насос с устанавливаемым на поверхности мотором.
Этот тип насосов подходит для работы в очень глубоких колодцах с небольшим количеством воды. Так как верхняя часть механизма (мотор) очень тяжелая, поэтому необходимо сбалансировать насос и ось передачи между мотором и насосом. На рисунке 2.12 изображена насосная система, использующая насос возвратно-поступательного действия с нагнетателем объемного типа.
Анализ солнечной радиации в условиях Ирака, г. Ростова-на-Дону и г. Москва (Россия)
Солнечную энергию можно представить как лучистую радиацию, влияющую на окружающую среду. Человек использует солнечную энергию для своих целей в течение длительного времени и применяет различные инструменты и технологии для энергоснабжения потребителей. Такие технологии “солнечной энергии” способны эффективно обеспечивать отопление или процесс превращения этой энергии в движение и электроэнергию. Это помогает решать проблемы энергетики в наше время.
Когда мы произносим слово "энергия", предполагается в основном что-то абстрактное, техническое, интересующее только инженеров и ученых. Но тем не менее, вся история человечества была и есть историей борьбы за обладание большим количеством энергии. Все существенные человеческие достижения были на самом деле связаны с новыми формами подготовки и использования энергии. С незапамятных времен люди нуждаются в энергии, чтобы постоянно улучшать свои жилищные условия. Известно, что с открытием новых видов энергии изменился образ жизни человека [37].
Солнечная энергия становится все более важным аргументом в дискуссии об энергоснабжении. Это единственный известный технически удобный источник энергии, который может обеспечить человеку хорошие условия жизни практически неограниченное время, и при этом не загрязнять окружающую среду.Все регионы Земли получают солнечную энергию. Сумма энергии, получаемой ежедневно, зависит от географического положения и климатических условий, а ее практическое применение возможно везде. При использовании солнечной энергии для бытовых целей наиболее важным является обеспечение горячим водоснабжением, отоплением, охлаждением помещений и кондиционированием воздуха, подогревом бассейнов. Большинство ресурсов возобновляемых источников энергии зависит от солнечной энергии и от запасов вторичной энергии, таких как энергия ветра, энергия волн, гидроэлектрическая энергия и тепловая энергия Земли. Важно сказать, что мы используем только малую часть солнечной и других видов энергий. Солнечная энергия, как источник производства электроэнергии, может трансформироваться двумя путями: тепло или фотопреобразователи, как показано на рисунке 3.1.
Как известно, арабские территории являются одними из богатейших регионов мира не только по запасам органических топлив, но и по ресурсам солнечной энергии в сравнении с другими странами мира. Например, если взять в среднем количество солнечной энергии на арабских территориях, то это составит 5 кВтч/(мсутки). При коэффициенте преобразования солнечной энергии 5%, поместив солнечные батареи на площади 16000 км2 в Сахаре западного Ирака, как показано на рисунке 3.2, мы могли бы производить электрическую энергию в необходимом для Ирака количестве. Жители Ирака могут получать энергию от Солнца в пять раз больше, чем требуется [38]. Рисунок 3.2 - Географическая карта Ирака Географическое положение и климат в Ираке предоставляют широкие возможности для использования различных возобновляемых источников энергии, таких как солнце, ветер, биомасса и других. Работа по их применению находится в начальной стадии, должна быть предметом изысканий и продолжена в дальнейшем. Ближайшие перспективы развития и реконструкции электроэнергии в Ираке предоставляют следующие ключевые области: реконструкция и строительство новых мощных установок различного типа, в томчисле солнечных [19].
Фотоэлектрические солнечные конструкции, которые известны как фотоэлементы, - это устройства, преобразующие солнечное излучение непосредственно в электроэнергию с помощью полупроводников. Они относятся к возобновляемым источникам энергии и являются экологически чистыми. Стоимость таких устройств производства электроэнергии высокая, но эксплуатационные затраты меньше по сравнению с традиционными источниками энергии. Преимущества применения солнечной энергии: солнечная радиация является возобновляемым источником энергии и может быть использована для создания других форм энергии. Например, ее можно использовать в качестве топлива для автомобилей, нагрева воды и освещения дома; благодаря применению солнечных панелей можно генерировать электричество, что позволяет человеку отказаться от центральных сетей электроснабжения. Другими словами, мы будем хозяевами производства электроэнергии; после установки солнечных панелей не требуется постоянного технического обслуживания оборудования; солнечные панели бесшумные, солнечные электростанции и солнечные батареи в домах не вызывают никаких негативных влияний на окружающую среду; в настоящие время продолжаются исследования и анализ в области солнечных технологий, чтобы сделать их более эффективными.
С развитием производства солнечных панелей в последние годы и в связи с большими инвестициями в этой сфере ожидаются хорошие перспективы по применению солнечной энергии, особенно для освещения городов и перекачки воды в удалённых районах Ирака. Как показано на рисунке 3.3, в климатических условиях Ирака наблюдаются повышенные температуры воздуха, способствующие образованию засухи. Среднемесячное выпадение осадков в стране в летнее время не наблюдается, как показано на рисунке 3.4 Спрос воды становится всё больше и больше. Расширенный анализ показывает, что для получения лучшего результата и меньших затрат существует много примеров использования в мире и, особенно в арабском мире, солнечных энергоустановок, так как там много солнечных дней в течение года, и чем выше температуры, тем больше потребление воды. В большинстве случаев используют солнечные насосы с преобразованием электрического тока, чтобы экономить электроэнергию и использовать большие водяные баки для аккумуляции вместо электро 73
аккумуляторов. Наличие пыли во многих районах Ирака требует устройств для чистки солнечных коллекторов; иначе до 50 % эффективности солнечных энергоустановок пропадает. Чистку следует проводить один раз как минимум в течение месяца. Лучше использовать непрерывные методы чистки. То есть с интервалом не более трёх дней.
Расчет количества панелей солнечной радиации для различных нагрузок и различных регионов
Энергия, генерируемая в солнечных панелях, изменяется в зависимости от солнечной радиации в рассматриваемом регионе, сезона года и погодных условий. Глава диссертации посвящена анализу этой энергии и расчету ожидаемой стоимости солнечных элементов при различных нагрузках.
На рисунках 4.1 – 4.6 представлено ежемесячное количество энергии, генерируемой одной солнечной панелью, в пересчете на 15 число каждого месяца в году, с учетом того, что КПД фотопреобразовательного коллектора принято равным 15,6 %. Расчет выполнен по программе, представленной в главе 3.
Сравнение генерируемой энергии от солнечных панелей в зимний и летний периоды года показывает, что наибольшую солнечную энергию получают южные регионы Ирака летом, увеличенную по сравнению с зимой на 61%. Для центрального и северного регионов Ирака это увеличение составляет 65% и 71% соответственно. Для г. Ростова-на-Дону это увеличение равно 77%, а для г. Москвы – 91%. Отсюда видно, что с увеличением географической широты региона, как показывает рисунок 4.7, разность в интенсивности солнечной радиации возрастает. 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 55% ЗО Широта 50 Рисунок 4.7 - Разность в генерации энергий между зимой и летом на различных широтах
Сравнивая характеристики солнечной радиации по данным на 15 января, как показано на рисунке 4.8, для различных широт, можно отметить следующее:
1. Ежемесячная средняя солнечная радиация: Еж = Ген /(КПДх 1000), (4.1) где Еж - ежедневная среднемесячная Солнечная радиация, кВтч/м2.сутки; Ген - энергия, генерируемая в светлое время суток, Втч/м2.сутки; КПД - эффективность солнечной панели, равная 15.6%,
Солнечная радиация 15 января, кВтч/м2сутки, и количество солнечных панелей, которые требуются при различных нагрузках для трех регионов Ирака, г. Ростова-на-Дону и г. Москвы Сравнивая характеристики солнечной радиации по данным на 15 марта, как показано на рисунке 4.9, для различных широт можно отметить следующее: 1- Ежемесячная средняя солнечная радиация:
Солнечная радиация 15 марта, кВтч/м2сутки, и количество солнечных панелей, которые требуются при различных нагрузках для трех регионов Ирака, г. Ростова-на-Дону и г. Москвы Сравнивая характеристики солнечной радиации по данным на 15 мая, как показано на рисунке 4.10, для различных широт можно отметить следующее: 1- Ежемесячная средняя солнечная радиация: - для южного Ирака 6 кВтч/м2сутки;
Солнечная радиация 15 мая, кВтч/м2сутки, и количество солнечных панелей, которые требуются при различных нагрузках для трех регионов Ирака, г. Ростова-на-Дону и г. Москвы Сравнивая характеристики солнечной радиации по данным на 15 июля, как показано на рисунке 4.11, для различных широт можно отметить следующее: 1- Ежемесячная средняя Солнечная радиация:
Солнечная радиация 15 июля, кВтч/м2сутки, и количество солнечных панелей, которые требуются при различных нагрузках для трех регионов Ирака, Ростова-на-Дону и Москвы Сравнивая характеристики солнечной радиации по данным на 15 сентября, как показано на рисунке 4.12, для различных широт можно отметить следующее:
Среднемесячные данные по солнечной радиации для трех регионов Ирака (южный, центральный и северный), а также для г. Ростова-на-Дону и г. Москва представлены в таблице 4.1, и количество панелей фотопреобразователей при различных нагрузках даны в таблице 4.2.
Если исходить из того, что производители оценивают стоимость солнечных панелей одинаково для любого региона мира (стоимость их примерно равна 6000 рублей за одну панель, характеристики которой приведены в табл. 5.1), то затраты на установку панелей будут расти пропорционально устанавливаемому количеству панелей, как показано на рисунке 4.14. Таким образом, поскольку количество панелей, устанавливаемых для производства одинаковой электрической мощности, возрастает при увеличении географической широты, то, чем севернее будут устанавливаться фотопреобразователи, тем затраты на их установку будут больше.