Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные проблемы энеретики и перспективы использования возобновляемых источников энергии в Марокко 12
1.1. Природные условия Марокко, определяющие ее энергопотенциал и во-дообеспеченность 12
1.2. Электроэнергетика Марокко 19
1.2.1. Задачи и приоритеты энергетической стратегии Марокко 19
1.2.2. Современная энергетическая структура Марокко 20
1.2.3. Особенности и проблемы развития электроэнергетики Марокко 22
1.3. Перспективы использования возобновляемых источников энергии в энергетике 28
1.3.1. .Возобновляемые источники энергии 29
1.3.2. Ресурсная и технологическая базы ВИЭ 34
1.3.3. Особенности использования ВИЭ в энергетическом секторе Марокко 36
Выводы по главе 1 46
ГЛАВА 2. Солнечные фотоэлектрические установки и опыт их применения для водоснабжения автономных потреителей в Марокко 48
2.1. Солнечная радиация, особенности ее использования 48
2.2. Основные свойства солнечного излучения и области его применения .. 50
2.3. Солнечное излучение на поверхности Земли 54
2.4. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии 57
2.5. Опыт применения насосных установок с питанием от СБ для водоснабжения автономных потребителей 61
Выводы по главе 2 63
ГЛАВА 3. Формирование базы данных для выбора солнечной водоподьемная установка (СВУ) 66
3.1. База данных о поступлении солнечной радиации 66
3.1.1. Общая информация о базе данных НАСА 66
3.1.2. Методы расчета солнечной радиации на наклонных поверхностях. 61
3.1.3. Соотношения, используемые при расчете прямой и диффузной солнечной радиации на наклонные поверхности 71
3.1.4. Анализ полученной картографической информации 75
3.2. Анализ погрешностей методов расчета характеристик СР 81
3.3. Характер автономного водопотребления и обоснование его структуры 86
3.3.1. Общие положения 86
3.3.2. Исследование и выбор функциональной схемы 88
3.4. Исследование режимов работы СВУ 94
Выводы по главе 3 101
ГЛАВА 4. Математические модель и энергетические характеристики элементов в солнечных во доподъемных установках (СВУ) 102
4.1. Солнечная водоподъёмная система 102
4.2. Математическая модель фотоэлектрического модуля 103
4.3. Создание математической модели состояния АБ 107
4.4. Математическая модель приводного двигателя насоса 112
4.5. Анализ характеристик насоса и регулирование режима его работы 117
4.6. Совместная работа солнечной фотоэлектрической энергоустановки -(двигателя - насоса - аккумуляторной батареи) 121
Выводы по главе 4 126
ГЛАВА 5. Методика выбор элементов (СВУ)для водоснабжения автономных потребителей и определение ее основных параметров 127
5.1. Методика сравнительного анализа и выбора СФЭУ 127
5.1.1. Анализ конструктивных схем конкурирующих солнечных батарей 127
5.1.2. Солнечная электроустановка без концентратора 128
5.1.3. Солнечная электроустановка с концентратором 129
5.2. Расчёт площади солнечной батареи'разных конструкций 131
5.2.1. Методика расчета площади солнечной батареи 131
5.2.2. Исходные данные и результаты расчётов 132
5.3. Обоснование выбора системы аккумулирования 136
5.3.1. Определение емкостей накопителей 139
5.3.2. Выбор емкости АБ 139
5.4. Выбор инвертора. Основные параметры и его характеристики 141
5.5. Выбор электронасоса. Его основные параметры и характеристики 143
Выводы по главе 5 146
Заключение l 147
Список литературы 149
Приложения 155
- Особенности и проблемы развития электроэнергетики Марокко
- Основные свойства солнечного излучения и области его применения
- Соотношения, используемые при расчете прямой и диффузной солнечной радиации на наклонные поверхности
- Совместная работа солнечной фотоэлектрической энергоустановки -(двигателя - насоса - аккумуляторной батареи)
Введение к работе
Энергия — источник жизненной силы современных государств, основа высокого уровня жизни, развитой экономики и национальной безопасности.
Энергетические проблемы — одни из важнейших мировых проблем современности, они затрагивают самым непосредственным образом 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 социальное развитие. В последнее время проблемы энергетики стали привлекать внимание не только специалистов, но и представителей других областей науки и техники. Проблемы обеспечения энергией связаны с ростом удельного энергопотребления на душу населения, ограниченными запасами наиболее качественного и удобного органического топлива - нефти и природного газа, неравномерностью его территориального распределения, ухудшением природно географических условий их добычи, глубокой диспропорцией в мировой системе добычи, распределения и потребления энергии. Анализ ситуации в энергетике приводит к очевидному выводу, что без значительного изменения всей структуры топливно-энергетического комплекса, без включения в баланс новых первичных источников энергии и тем самым соответствующего перераспределения традиционных источников энергии невозможно решить глобальные энергетические проблемы начала XXI века.
Исключительно важны проблемы воздействия топливно энергетического комплекса на окружающую среду. По мере увеличения производства энергии в мире острота экологических проблем будет возрастать. Это заставляет уже сейчас думать о целесообразности широкого использования экологически чистых возобновляемых источников энергии. Марокко, подобно другим странам, должно обращать свой взгляд на технологии "следующего поколения", чтобы удовлетворять растущий спрос на чистую, обильную, надежную и дешевую энергию для всех людей. Повышение эффективности использования собственных источников энергии является важной задачей. Однако в долгосрочной перспективе, в конечном счете, требуется найти вариант, не зависящий от нефти.
Марокко вступила в новый этап развития, на котором требуется использование всех первичных источников энергии и диверсификация применения существующих технологий, необходимых для социально-экономического развития. Освоение экологически чистых возобновляемых источников энергии, среди которых энергия солнечного излучения занимает лидирующее положение, является стратегической проблемой, определяющей перспективы устойчивого мирового развития в условиях постепенного истощения запасов ископаемого органического топлива и возникающих угроз все большего антропогенного загрязнения окружающей среды.
Солнечное излучение с энергетической и термодинамической точки зрения является высококачественным первичным источником энергии, допускающим принципиальную возможность ее преобразования в другие виды энергии (электрическую энергию, тепло и др.) с высоким коэффициентом полезного действия. Солнечная энергия повсеместно доступна. Среднегодовая плотность энергетического потока на поверхность земли (с учетом суточных, сезонных, климатических и географических факторов) для территории Ма-рокко составляет почти 250 Вт/м .
Одна из основных задач, проводимых во многих странах мира исследований, состоит в научном обосновании, разработке и создании новых технологий и оборудования для использования солнечной энергии, которые могли бы быть полезны для экономически эффективного применения в различных сферах народного хозяйства с учетом специфики регионов и конкретных потребителей. В Марокко, в связи с отсутствии собственных запасов нефти и газа, с повышением потребления электроэнергии и стремлением к технологической независимости пытаются овладеть альтернативными источниками энергии; в стране все больше уделяется внимание развитию и внедрению возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
В начале века доля ВИЭ в общем топливно-энергетическом балансе страны была незначительна. Период индустриализации привел к полной централизации хозяйственной жизни, в том числе и энергоснабжения, вытеснив все ВИЭ, доля которых сегодня составляет не более 1%. Однако новая энергетическая политика, ориентированная на диверсификацию собственности, дает новый шанс более широкому развитию малой энергетики, в т.ч. ВИЭ. В энергетической программе указывается, что их использование — это вопрос будущего. В Марокко необходимость развития ВИЭ нашла отражение в законе «Об энергосбережении и энергетической стратегии Марокко».
Климатические условия Марокко, расположенной в субтропическом поясе, благоприятствуют развитию солнечной энергетики; здесь более 300 дней в году — солнечные.
Обилие солнечной энергии в Марокко, острота проблемы водоснабжения, постоянное повышение тарифов на электроэнергию и цен на топливо делают проблему создания эффективных и рентабельных солнечных водоподъемных установок для автономных потребителей весьма актуальной, тем более, что в стране созданы предпосылки для децентрализации водоснабжения. Эти установки должны быть надежными, простыми в эксплуатации, эффективными и иметь большой срок службы.
Актуальность темы диссертационной работы определяется особенностями развития энергетики Марокко и необходимостью разработки систем водоснабжения для удаленных от электроэнергетических систем потребителей малой мощности, что обеспечит высокую социальную эффективность и минимальное воздействие на окружающую среду. Цель диссертационной работы заключается в разработке методики выбора параметров и режима работы солнечной фотоэлектрической водоподъемной системы (СВС), для индивидуальных автономных потребителей, рассчитанной на различный уровень водопотребления.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Оценить теоретический потенциал возобновляемых источников энергии в Марокко для использования в электроэнергетике.
2. Выполнить аналитический обзор современного технического уровня и производства солнечных фотоэлектрических установок.
3. Определить графики водопотребления и потребления электроэнергии для конкретной местности и типов потребителей в Марокко.
4. Выполнить анализ работы системы водоснабжения для четырех характерных вариантов компоновки СВС.
5. Исследовать характеристики и взаимосвязи элементов в системе водоснабжения потребителя.
6. Выбрать наиболее эффективный вариант, который может обеспечить оптимальную работу всей системы автономного водоснабжения.
7. Выполнить системный анализ алгоритма определения параметров СВС, включающего выбор параметров оборудования.
Научная новизна работы заключается в:
1. Обосновании актуальности интенсивного использования солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ) в энергетике Марокко с учетом особенностей экономики энергетической отрасли и социально-экологического состояния страны.
2. Определении географических регионов Марокко, в которых целесообразно применять солнечные водоподъёмные установки, на основе источников подземных вод. 3. Разработке методики построения карт распределения и поступления солнечной энергии по территории Марокко и определении валового и технического энергопотенциала солнечной энергии.
4. Исследовании погрешности расчета суммарной солнечной радиации на различно ориентированные площадки по широте и по долготе различными методами.
5. Выборе оптимального способа водоснабжения изолированных потребителей в отдаленных регионах Марокко.
Практическая значимость работы.
Результаты выполненного исследования предназначены для применения при проектировании и эксплуатации систем автономного водоснабжения потребителей малой мощности в условиях Марокко. Использование рекомендаций автора на стадии проектирования позволяет повысить конкуренто-способность и экономическую эффективность систем водоснабжения на основе солнечной энергии, для улучшения экологической и социальной обстановки в районах с острой нехваткой воды.
Апробация работы
Основные положения и результаты исследования по теме диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах, на заседаниях кафедры «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» МЭИ (ТУ).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано четыре печатных работы.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н, профессору В.И. Виссарионову за постоянную помощь, внимание и доброжелательную поддержку в работе; а также коллективу кафедры "Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии" Московского энергетического института (технического университета) за ценные замечания и советы при обсуждении диссертации.
Особенности и проблемы развития электроэнергетики Марокко
Все реки Марокко берут начало в горах Атлас и Риф и в настоящее время не всегда используются для навигации в силу нерегулярности водного стока.
Рельеф. В составе Атласских гор выделяют три основных хребта: на юге - Антиатлас (высшая точка 2360 м); пересекающий центральную часть страны; Высокий Атлас со многими вершинами, превышающими 3700 м (это самые высокие горы Африки, расположенные к северу от горы Камерун), и на севере - Средний Атлас, в северной части которого находятся заросшие лесом плато, а на высотах более 1800 м располагаются альпийские луга, используемые как пастбища. Атласские горы делят территорию Марокко на относительно хорошо обеспеченную осадками атлантическую зону на северо-западе и западе и пустынную сахарскую - на востоке и юго-востоке. Вдоль северного побережья страны на 200 км простирается горный хребет Риф с высотами менее 1500 м, образующий своеобразный барьер между побережьем Средиземного моря и центральными районами страны. Между Рифом и Средним Атласом расположен горный проход Таза, обеспечивающий доступ из северных районов Марокко в Алжир. Ровная береговая линия Атлантики покрыта по большей части песчаными пляжами, разделенными скалистыми обнажениями. В районе Рифа берег обрывистый, с узкой полоской пляжей.
В климатическом отношении Марокко относится к субтропическому поясу. Специфические особенности климата страны связаны со сложностью и высотой рельефа и влиянием Атлантики. Вдоль побережья проходит относительно холодное Канарское течение, которое способствует снижению летних температур воздуха. В летнее время над всей территорией преобладает жаркая и сухая погода, определяемая Азорским антициклоном. В зимнее время господствует приток влажного морского и относительно холодного воздуха, приносимого циклонами с запада и северо-запада. Иногда зимой в Марокко вторгается и жаркий морской тропический воздух с юга, что вызывает большие контрасты погоды. Например, в Касабланке абсолютный максимум температуры зимой 36 тепла, а абсолютный минимум 3 мороза. С вторжениями теплого морского воздуха зимой связаны частые туманы на побережье. Характерная для Марокко неустойчивость климата выражается прежде всего в нерегулярности выпадения осадков в течение года и от года к году, что создает немалые трудности для сельского хозяйства. К тому же основная часть осадков выпадает в горах, а равнины получают значительно меньше атмосферной влаги. На большей части страны среднее количество осадков не превышает 300-400 мм. Свыше 800 мм осадков в год выпадает примерно на 2,5% площади страны (высокогорье). Абсолютный максимум осадков (более 1700 мм) приходится на горный массив на севере Марокко. Территория, получающая 600 -800 мм, составляет 6% площади страны, — это район между Рифом и Средним Атласом. Теплый характер климата подчеркивается тем, что нигде на территории страны не проходит средняя годовая изотерма 0. Но как ни редки низкие температуры, почти во всех районах зимой зарегистрированы абсолютные минимумы ниже 0. Средне месячные максимальные температуры достигают 45, абсолютный максимум равен 51 жары. Очень велики амплитуды колебаний температур по сезонам — повсеместно 20-30, значительны и суточные колебания, особенно зимой. Основные сельскохозяйственные районы располагаются в зонах с осадками от 600 до 300 мм в год. Если исключить высокогорные и аридные районы, то производительная в сельскохозяйственном отношении территория, где выпадает более 300 мм осадков в год, составит всего 1/3 площади Марокко. В засушливых предсахарских районах дожди вообще бывают редко (2-3 раза в год). Неравномерность выпадения осадков по годам очень велика. Различия в количестве осадков между следующими друг за другом годами часто составляют 50-80%. Не всегда неблагоприятны для сельского хозяйства годы с меньшим количеством осадков. Неурожаи чаще всего происходят оттого, что дожди выпадают преждевременно или запоздало по сельскохозяйственному календарю либо носят ливневый характер, т. е. практически бесплодны, несмотря на относительно большой объем влаги. В среднем по стране вне аридных районов наблюдается 60-70 дней с дождями. Помимо дождей, осадки выпадают в виде снега и града. Марокко — самая «снежная» страна Африки, и здесь даже развит горнолыжный спорт. В горах Атласа выше 1200 м снег выпадает ежегодно не менее 5-6 раз, а в суровые годы в Среднем Атласе на высотах более 2-2,5 тыс. м снежный покров держится до двух месяцев и дольше. Однако чаще снежный покров даже в горах неустойчив и летом пропадает. В среднем от 65 до 90% дождевой влаги і сразу же возвращается в атмосферу (благодаря испарению). Значение испарения почти повсеместно превышает количество осадков, а в засушливых районах — в 10-20 раз. Хотя реки имеют довольно большую протяженность, лишь две из них сохраняют существенный сток в сухой летний сезон (Себу и Умм-эр-Рбия). Все остальные реки (узды) летом целиком или почти полностью пересыхают. Общие годовые расходы воды крупных речных бассейнов довольно велики, но основная масса воды проходит за короткое время паводков, когда выпадают дожди или тают снега в горах [69]. При правильном регулировании стока реки страны обладают большим ) потенциалом для энергетики и орошения. Из-за неравномерности выпадения осадков сильно колеблются в течение года и расходы уздов, изменяясь также и от года к году. Так, средний годовой расход Себу может колебаться от 30 до 300 м /с и более. Во время паводков расходы в уздах в течение нескольких часов могут возрасти от 1-3 до нескольких сот м /с. Озера хотя и не имеют большого хозяйственного значения, но интересны тем, что подчеркивают своеобразие природы этой западной части Атласской области.
Основные свойства солнечного излучения и области его применения
Освоение и использование известных возобновляемых энергетических ресурсов (гидроэнергетических, ветроэнергетических, гелиоэнергетических, геотермальных, биоэнергетических) могут позволить перевести на энергообеспечение за счет ВИЭ многие регионы страны. Марокко обладает богатыми возобновляемыми энергетическими ресурсами, экономический потенциал которых оценивается в 5 млн. т н. э., что составляет около 15% внутреннего потребления топливно-энергетических ресурсов в стране. Природные и климатические условия Марокко благоприятствуют развитию возобновляемых источников энергии. Потенциал солнечной энергии в Марокко — один из самых высоких в мире, приблизительно вся территории получает в среднем 5 кВт-ч/м в сутки с продолжительностью от 2800 на севере до 3400 часов в год на юге. В мире использование солнечной энергии является наиболее интенсивно развивающейся областью возобновляемой энергетики за счет повышения эффективности и снижения стоимости получения электрической энергии. Потенциал ветровой энергии в Марокко оценивается в 6000 МВт. Особенно важным является то, что основные районы высокой концентрации ветровой энергии — густозаселенные берега Атлантического океана и побережье Средиземного моря, протяженность которых составляет 3500 тыс. км. Многие районы удалены от систем централизованного энергоснабжения. Освоение ветровой энергии в этих районах социально, экологически и экономически целесообразно. Установленная мощность ГЭС в Марокко составляет около 1200 МВт. Объем электроэнергии, производимой гидроэлектростанциями, находится в прямой зависимости от количества осадков и составляет от 5 до 20% общего объема потребления электроэнергии в стране. Определены около 200 площадок, где могут быть построены малые ГЭС мощностью от 15 до 100 кВт.
Экономический потенциал биомассы, пригодной для энергетического использования в Марокко, составляет 3 млн. т н.э т. в год. Лесные ресурсы в стране составляют 9 миллионов гектаров лесов, из них 3,3 миллиона га — травы альфы р- ценного сырья для целлюлозно-бумажной промышленности. Важное значение для получения древесины и побочных продуктов имеют атласский кедр, туя, пробковый дуб, арганское дерево, а также эвкалипт (в Гарбе). В сухих степях и полупустынях восточного Марокко ведется сбор травы альфы. Ресурсы древесины ограниченны. В настоящее время биомасса используется в основном в виде — дров, бытовых и сельскохозяйственных отходов, отходов животноводства, лесозаготовок, лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности. Энергия древесины составляет около 1/3 энергетического потребления страны и причиняет убыток более чем 30000 гектаров леса каждый год. Древесина и сухой навоз являются традиционными сельскими видами топлива и продолжают в большом объеме использоваться во многих регионах мира.
Общее потребление древесины в мире оценено в 10 млн. м3 в год (среди которых 88% в сельской среде для отопления и т. д и 12% для бань и хлебопекарных печей). Марокко разрабатывает решение технологической переработки сточных вод, которая могла бы позволить около 100 млн. м3 биогаза в год. Переход на современные технологии использования энергии биомассы в Марокко позволит снизить экологический ущерб, повысить надежность и социальную значимость систем топливо- и теплоснабжения прежде всего в лесных районах страны.
Использование возобновляемых источников энергии имеет большое значение для обеспечения технологической независимости и покрытия растущих потребностей в электроэнергии. Марокко, в отсутствии собственных запасов нефти и газа, пытается овладеть альтернативными источниками энергии, в стране все больше уделяется внимание развитию нетрадиционной энергетики. В Энергетической программе указывается, что их использование — это вопрос будущего.
Однако существует специфика, вызванная современным состоянием экономики страны и общества. Главная особенность состоит в том, что работы по ВИЭ в Марокко направлены на решение социальных проблем, снижение уровня безработицы, развитие малого бизнеса, повышение качества жизни населения, уровня образования и культуры. Ниже в порядке приоритетности приводятся направления использования ВИЭ по экономическим и социальным критериям. 1. Обеспечение энергоснабжения удаленных районов, не подключенных к сетям энергосистем. В связи с увеличением транспортных расходов стоимость органического (жидкого — дизельное топливо, мазут и твердого — уголь) топлива повышается. 2. Предотвращение или снижение ограничений потребителей, подключенных к сетям энергосистем. Создание конкурентной среды в энергетике, прежде всего в дефицитных энергосистемах. Создание регулируемого рынка независимых энергопроизводителей. 3. Развитие собственной промышленности. Постоянное увеличение экспорта, создание дополнительных рабочих мест. Уже сейчас такие возможности есть в торговле с развивающимися странами и странами У Европы по некоторым видам оборудования. 4. Необходимость снижения выброса парниковых газов от энергетики, что нашло концентрированное выражение в Киотских протоколах, рассматривается в стране самым серьезным образом. Выделяются значительные государственные средства и разрабатываются экономические меры привлечения частных инвестиций. Ставится задача снизить экологическую напряженность, существующую в ряде городов, за счет сокращения объемов вредных выбросов от энергетических установок. Экологическая обстановка в связи с переходом с газа на уголь может еще более ухудшиться. Проверенное средство не допустить этого - применение виэ. 5. Обеспечение энергетической безопасности некоторых регионов Марокко. Марокко очень остро зависит от импорта нефти. В настоящее время актуальность использования ВИЭ вновь возрастает в связи с появлением признаков нового энергетического кризиса (повышение цен на нефть и газ). 6. Возобновляемые энергоресурсы выступают также как вектор усиления технического и финансового, сотрудничества именно на уровне арабских, средиземноморских и африканских регионов. 7. Увеличение потребления сырья для неэнергетического использования топлива.
Соотношения, используемые при расчете прямой и диффузной солнечной радиации на наклонные поверхности
Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и распространенности наиболее перспективна [15, 29, 30, 37, 68]. Если бы удалось использовать только 0,5% падающего на Землю солнечного излучения, то это бы покрыло мировые потребности в энергии с учетом столетней (а может быть, и больше) перспективы. Препятствием для широкого использования солнечной энергии является низкая территориальная интенсивность солнечного излучения. Даже в самых благоприятных условиях (южные широты, чистое небо и т.д.) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт /м . Препятствием является и временная неравномерность поступления солнечной энергии: ночью она не поступает; достаточно налететь облаку или туче - и мощность уменьшается в деЬятки раз. В таких условиях нельзя ориентироваться на стабильное производство электроэнергии, приходится разрабатывать такие технологические процессы, которые в наибольшей мере соответствовали бы особенностям и возможностям приемников солнечного излучения. Кроме того, солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким видам преобразования энергии.
Солнечная энергетика имеет довольно продолжительную историю [3, 37]. В 1600 г. во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды. В конце XVII в. ведущий французский ."химик А. Лавуазье создал первую солнечную печь, в которой достигалась температура в 1650С и нагревались образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере.
В 1866 г. Француз А. Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и привода насосов. На Всемирной выставке в Париже в 1878 г. А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи , в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут. В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором размером 4,8x3,3 м. Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш.А. Тельером. Он имел площадь 20 м и использовался в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке. В 1885 г. была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды , причем он был смонтирован на крыше пристройки к дому .
Первая крупномасштабная солнечная установка для дистилляции воды была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника. В 1890 г. профессор В.К. Церасский в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000С.
В России в настоящее время продолжаются работы по практическому использованию солнечной энергии. К создаваемым энергоустановкам с тепловыми процессами добавились установки, преобразующие солнечную энергию непосредственно в электрическую: солнечные термо- и фотогенераторы, а также установки по фотохимическому и фотосинтетическому преобразованию солнечной энергии. Существенный прогресс был достигнут благодаря исследованиям Лидоренко Н.С., Алферова Ж.И., Грилихеса В.А., Умарова Г.Я., Баума В.А., Колтуна М.М., Закса М.Б., Тарнижевского Б.В., Евдокимова В.М., Стребкова Д.С., Поливода Ф. и других [3, 4, 30, 44, 59, 60].
Созданные в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге фотопреобразователи на основе гетероструктур арсенида галлия, арсенида алюминия и использование сферических концентраторов позволили создать 200-ваттные солнечные модули с КПД 27%, из которых можно создать достаточно мощные гелиостанции [37]. 2.2. Основные свойства солнечного излучения и области его применения Солнце является центром нашей планетной системы, в которую входит и Земля. Оно представляет собой газовый шар диаметром 1,4 млн. км. Он состоит в основном из атомов водорода с небольшой примесью гелия и других элементов. Масса солнца составляет 2-Ю30 кг, температура поверхности около 6000 К. Общий поток энергии, который Солнце излучает в космическое пространство, составляет 3,8-1026 ватт. Источником этого огромного количества энергии является термоядерная реакция превращения водорода в гелий (4-Ю6 тонн массы Солнца превращается каждую секунду в энергию, которую Солнце излучает). Спектр солнечного излучения охватывает длину волны от 10" м (рентгеновское и ультрафиолетовое излучение) вплоть до метровых радиоволн. С точки зрения энергетического использования солнечного излучения наибольшее значение имеют волны длиной от 300 до 2500 нанометров, на которые приходится примерно 98% всей энергии, падающей на поверхность Земли. Солнечное излучение поступает на земной шар и его атмосферу с постоянной мощностью 1,7-1017 ватт. Годовая сумма солнечной энергии представляет 1,5-10 кВт/ч, т.е. 1500 млрд. гигаВатт/часов, в то время как современная годовая потребность населения Земли оценивается вЮО-1012 кВт/часов в год. Из этого сравнения видно, что поступление солнечной энергии превышает наши потребности примерно в 15000 раз. Для удовлетворения энергетических потребностей человечества хватает в случае 5%-го КПД превращения солнечной энергии на 0,13% поверхности земного шара, Интенсивность солнечного излучения за пределами земной атмосферы составляет примерно 1350 Вт/м . Через атмосферу при благоприятных условиях проникает на поверхность Земли около 1000 Вт/м2.
Совместная работа солнечной фотоэлектрической энергоустановки -(двигателя - насоса - аккумуляторной батареи)
В то же время применение концентраторов является выгодным экономически, поскольку стоимость единицы поверхности зеркальных концентраторов примерно на два-три порядка ниже стоимости фотопреобразователей. Однако в настоящее время использование концентраторов в ряде случаев может оказаться затруднительным по эксплуатационным и другим соображениям, поэтому следует рассмотреть вначале случаи применения СБ без концентраторов с точки зрения оптимизации их расположения.
Для неподвижной солнечной батареи возможно различное положение: горизонтальное или с некоторым наклоном. Оптимальное положение приемника излучения зависит от времени использования в течение года (круглогодичное или сезонное). Оптимизация происходит по максимому поступающей в течение дня лучистой энергии. Возможен также поворот СБ относительно одной оси координат, например, изменение угла наклона в течение года в соответствии с его оптимальными значениями. СБ без концентратора может иметь систему слежения по одной и по двум осям. При этом по сравнению с неподвижной солнечной батарей количество улавливаемой радиации, особенно при RMlul, а, следовательно, и выработка энергии увеличиваются.
Концентратор солнечного излучения, применяемый для освещения СФЭУ, является существенным элементом конструкции солнечной электроустановки. Поэтому анализ различных концентрирующих систем необходим при рассмотрении конструктивных схем таких установок.
Вначале сформулируем требования, предъявляемые к концентрирующим системам для СФЭУ, помимо таких общих для всех гелиотехнических концентраторов условий, как высокое значение и стабильность во времени коэффициентов пропускания или зеркального отражения, обеспечение заданного уровня концентрации лучистой энергии, простота изготовления и низкая стоимость. Концентраторы, применяемые для СБ, должны также обеспечибать равномерность освещенности поверхности приемника (от RMUH до RMax), а угол падения отраженных лучей не должен превышать предельного (ограничение по апертуре). Условия по ограничению апертуры концентратора определяются экспериментально путем измерения электрических характеристик солнечной батареи при различных углах падения солнечного излучения.
Концентраторы солнечного излучения могут быть разделены по ряду признаков: по форме концентратора (плоский, конический, параболический и т.п.); по виду конструкции (цельный, составной, фацетный и т.п); м по уровню концентрации солнечного излучения; ? по характеру облучения приемника (облучение прямым и отраженным излучением, или только отраженным); ? по материалу концентратора (стеклянные, металлические, полимерные и т.п.), и по ряду других признаков. При использовании концентратора необходимо иметь систему автоматизированного слежения за Солнцем. Эта система должно обеспечивать автоматическое направление СФЭУ на Солнце в течение всего светового дня, поиск Солнца после перерыва в облучении, вызванного облачностью; выключение всей системы при наступлении сумерек; возвращение панелей из вечернего (западного) в утреннее (восточное) положение; ограничение угла поворота панелей и так далее. В настоящее I время применяются различные системы автоматизированного слежения: — с датчиками, в такую систему входят: релейный блок; аккумуляторная батарея; датчик возврата; датчик освещенности; датчик ориентации; датчик мощности; электродвигатель слежения. — с использованием специализированных ПЭВМ (специальный процессор); — с использованием материалов с памятью формы и др. Наиболее целесообразно применять первую систему автоматизированного слежения с использованием специального микропроцессора. В такую систему вводят программу движения Солнца по небосводу, и она обеспечивает точное слежение за Солнцем независимо от погодных условий.
Схема слежения может быть экваториальной или азимутально-зениталь ной. Для страны, расположенной близко к экватору, слежение за Солнцем только по одной оси может оказаться более целесообразным. Таким образом, учитывая стоимость оборудования гіри двух осевом слежении, более сложную конструкцию и техническое обслуживание конструкции, целесообразно выбрать слежение по одной оси. Но для подтверждения этого выбора в дальнейшем будут сравниваться эти две конструкции по их стоимости. Задача будет состоять в выборе лучших СФЭУ для заданных условий.
