Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Формирование основ программы устойчивого энергоснабжения Забайк&тья с использованием возобновляемых источников энергии 17
1.1. Общие принципы повышения эффективности систем энергоснабжения 17
1.2. Возобновляемые источники энергии и концепция устойчивого развития 20
1.3. Систематизация направлений обеспечения устойчивого энергоснабжения Забайкалья 22
1.4. Основные направления применения возобновляемых источников энергии в Забайкалье 23
1.5. Определение районов и категорий потребителей возобновляемых видов энергии 25
1.6. Оценка доступного потенциала возобновляемых источников энергии Забайкалья 28
1.6.1. Энергия Солнца 30
1.6.2. Энергия ветра 34
1.6.3. Энергия биомассы 37
1.6.4. Энергетические ресурсы малых рек 39
1.6.5. Геотермальная энергия 41
ГЛАВА 2. Анализ потерь мощности солнечного модуля с концентратором при рассогласовании параметров отдельных солнечных элементов 42
2.1. Солнечные элементы 42
2.2. Исследование систем отвода теплоты солнечных модулей 45
2.3. Вопросы потерь мощности в солнечном модуле с концентратором 47
2.3.1. Потери мощности в солнечном модуле 48
2.3.1.1. Потери, возникающие при соединении солнечных элементов в модуль 48
2.3.1.2. Потери мощности в неравномерно освещенном солнечном модуле 50
2.3Л.З. Сравнение потерь мощности в модулях из солнечных элементов с прямоугольными и треугольными вольтамперными характеристиками 54
2.3.2. Параллельное и последовательное соединение солнечных элементов 57
2.3.2.1. Вольтамперная характеристика солнечного элемента 57
2.3.2.2. Мощность, отдаваемая солнечным элементом в нагрузку 59
2.3.2.3. Мощность, генерируемая последовательно соединенными солнечными элементами 63
2.3.2.4. Параллельное соединение солнечных элементов 71
2.3.3. Преобразование вольтамперной характеристики группы солнечных элементов к виду вольтамперной характеристики единичного солнечного элемента 75
2.3.3.1. О вольтампериых характеристиках последовательного и параллельного соединения солнечных элементов 75
2.3.3.2. Параметры вольтампериых характеристик последовательного соединения солнечных элементов 76
2.3.3.3. Параметры вольтампериых характеристик параллельного соединения солнечных элементов 78
2.4. Параметры солнечного элемента при имитированном и естественном солнечном излучении 80
2.4.1 .Параметры солнечного элемента при имитации солнечного излучения 80
2,4.2. Параметры солнечного элемента при естественном солнечном излучении 83
ГЛАВА 3. Исследование солнечных модулей с концентраторами солнечного излучения 86
3.1. Концентраторы солнечного излучения 86
3.1.1. Преломляющие концентраторы 88
3.1.2, Отражающие кон центраторы 89
3.2. Стационарные концентраторы 92
3.3. Солнечные модули с параболоцилиидрическими концентраторами 94
3.4. Солнечные модули с асимметричными параболоцилиидрическими концентраторами 95
3.4.1. Расчетная производительность солнечных модулей с концентраторами 95
3.5. Исследования солнечных модулей с асимметричными параболоцилиидрическими концентраторам и 100
3.5.1. Параметры солнечного модуля с концентратором 100
3.5.2. Параметры солнечного модуля с концентратором при моделировании работы в длительный период 101
3.5.3. Распределение концентрации освещенности солнечного модуля в концентраторе 105
3.5.4. Параметры солнечного модуля при изменении положения в концентраторе 109
3.5.5.Мощность солнечного модуля при работе с концентратором и без концентратора 114
3.6. Разработка конструкций солнечных модулей с асимметричными параболоцилиидрическими концентраторами 119
3.6.1. Солнечный модуль с трансформируемым концентратором 120
3.6.2. Варианты конструкций солнечных модулей с концентратором 123
3.6.3.Солнечный модуль с концентратором в виде вариантов едпо-объемных конструкций 126
ГЛАВА 4. Методика проектирования и расчет энергопотребления автономного сельского дома для условий Забайкалья 130
4.1. Рекомендации по оптимизации тепловой эффективности дома 130
4.1.І.Основные принципы проектирования энергоэффективного дома 130
4.1.2. Постановка задач на начальном этапе проектирования энергоэффективного дома 131
4.1.3. Методика оценки энергетического влияния возобновляемых источников энергии на тепловой баланс дома 132
4.1.4. Определение оптимальных границ влияния наружного климата в тепловом балансе дома 134
4.2. Энергоэффективный автономный сельский дом для условий Забайкалья 136
4.3. Оценка энергопотребления автономного сельского дома в условиях Забайкалья 139
4.3.1.Типовые тепловые нагрузки и расчетное тсплопотребленис 139
4.3.1.1. Расчет тепловой нагрузки на отопление 139
4.3.1.2. Расчет тепловой нагрузки на горячее водоснабжение 141
4.3.1.3. Расчет коэффициента замещения 142
4.3.2.Основные категории систем энергоснабжения автономных потребителей на основе
возобновляемых источников энергии 143
4.3.3.Типовые электрические нагрузки и расчетное электропотребление 144
ГЛАВА 5. Технико-экономическое обоснование комбинированной системы энергоснабжения автономного сельского дома для условий Забайкалья 150
5.1. Модульная система тепло - и электроснабжения 150
5.1.1 .Технико-экономические параметры модульной системы энергоснабжения 153
5.2. Схема и работа элементов системы энергоснабжения 156
5.3. Состав оборудования системы энергоснабжения 158
5.3.1 .Солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором 158
5.3.2. Бензогенератор 159
5.3.3. Аккумуляторная батарея 161
5.3.4. Инвертор и зарядное устройство 162
5.4. Технико-экономический расчет систем энергоснабжения с различными типами комплектации 163
5.4.1. Выбор типов комплектации систем энергоснабжения для базы сравнения 163
5.4.2. Технико-экономический расчет по первому базовому варианту системы энергоснабжения 164
5.4.3.Технико-экономический расчет по второму базовому варианту системы энергоснабжения 165
5.4.4. Технико-экономический расчет по третьему базовому варианту системы энергоснабжения 167
5.4.4.1. Солнечная батарея 167
5.4.4.2. Термоэлектрический генератор 168
5.4.5.Технико-экономический расчет основного варианта системы энергоснабжения 171
5.4.5.1. Расчет стоимости солнечного модуля с асимметричным параболоцилипдрическим концентратором 171
5.4.5.2. Расчет экономической эффективности системы энергоснабжения 172
5.4.5.3. Расчет затрат на приобретение и полный срок эксплуатации системы энергоснабжения при условии банковского кредитования 176
Общие выводы 177
Литература
- Основные направления применения возобновляемых источников энергии в Забайкалье
- Параллельное и последовательное соединение солнечных элементов
- Исследования солнечных модулей с асимметричными параболоцилиидрическими концентраторам и
- Методика оценки энергетического влияния возобновляемых источников энергии на тепловой баланс дома
Введение к работе
Актуальность исследования обусловлена следующим:
наиболее перспективным возобновляемым источником энергии (ВИЭ) для применения в системах энергоснабжения автономных сельскохозяйственных объектов в условиях Забайкалья является солнечная энергия;
необходимостью предварительной укрупненной оценки доступного потенциала ВИЭ края и разработки рекомендаций по приоритетам в применении ВИЭ для последующей детальной разработки региональной программы устойчивого развития энергоснабжения Забайкалья;
необходимостью определения и исследования основных направлений развития систем устойчивого энергоснабжения в сельскохозяйственном производстве Забайкалья и его рекреационных зон на основе комплексного применения ВИЭ и традиционных видов топлива;
необходимостью определения направлений устойчивого развития энергетического сектора и экономики всего региона.
При сложившемся современном состоянии проектирования и практического использования научно-технических разработок в сфере возобновляемых источников энергии (ВИЭ), результатом является высокая стоимость получаемой электрической энергии и теплоты по сравнению с системами на основе традиционных видов топлива Реализованные проекты теплового и фотоэлектрического оборудования имеют невысокий КПД по причине неэффективного использования оборудования и вырабатываемой энергии. В настоящее время оборудование для выработки электричества, горячей воды и теплоты применяется независимо друг от друга, что приводит к повышению капитальных затрат, занимаемой площади и низкой эффективности установок. В то же время существуют устойчивые тенденции снижения стоимости энергии, получаемой от возобновляемых источников, обусловленной научными достижениями в области совершенствования методов и оборудования в сфере их использования и повышением в регионе тарифов на электрическую энергию, получаемую в основном от сжигания ископаемого топлива, обусловленной повышением цен на технологии добычи и транспортировку топлива к потребителю. Непрерывный рост тарифов на традиционные энергоносители заставляет сельскохозяйственных производственников экономнее расходовать энергию, применяя наиболее эффективные технические средства и режимы работы оборудования, что рассматривается как одно из основных условий устойчивого энергоснабжения. В данной ситуации необходима корректировка основных направлений развития ВИЭ в крае и разработка региональной программы устойчивого энергоснабжения, рекомендующая для применения в регионе наиболее обоснованные и целесообразные по экологическим, технико-экономическим и социальным параметрам виды ВИЭ
Задачи удовлетворения потребностей сельскохозяйственного производства края, имеющего в основном животноводческое направление, а также сельского населения в электроэнергии и теплоте приводят к необходимости развития малой возобновляемой энергетики. Исходя из климатических особенностей Забайкалья, процесс потребления энергии в сельской местности носит непрерывный характер, то есть независимо от времени года и погодных условий, ежесуточно потребляется электроэнергия и теплота. Энергоснабжение автономных потребителей отдаленных районов Забайкалья в основном обеспечивается такими источниками электроэнергии, как генераторные установки с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) различной мощности. Источниками теплоты для отопления жилых домов и административных зданий и других хозяйственных нужд являются древесное и органическое ископаемое топливо. Сложности, связанные со стоимостью и доставкой как жидкого, так и твердого топлива, ограниченный ресурс ДВС приводят к значительным трудностям с электроснабжением, обеспечением теплотой и горячим водоснабжением практически всех автономных потребителей региона. Использование данных установок ведет к ухудшению экологической обстановки, вследствие шума при работе и выбросов в окружающую среду продуктов сгорания. В свою очередь системы, использующие ВИЭ, как правило, имеют модульный характер и позволяют вводить в строй малыми блоками. Поэтому такие системы
ГОС. НАЦИОНАЛЬНА* | БИБЛИОТЕКА I
становятся весьма актуальными для сельских и удаленных районов, не подключенных к централизованному электроснабжению.
Обеспечение устойчивого энергоснабжения края является одним из основных факторов развития экономики и повышения жизненного уровня у более 1,5 млн. жителей, проживающих на территории бассейна оз. Байкал, объявленного ЮНЕСКО Участком мирового наследия, а также других заповедных, курортных и рекреационных зон Забайкалья с достаточно суровыми природными и климатическими условиями и неравномерностью распределения населения по территории региона от 1 до 18,4 челУкм2. Повысить надежность автономного электроснабжения, уровень комфортности жизни сельских жителей, сократить расход традиционных видов топлива и улучшить экологическую обстановку в регионе можно при помощи комплексного использования ВИЭ и традиционных видов топлива. Системы энергообеспечения на основе ВИЭ привлекают внимание своей высокой экологической чистотой, по сравнению с использующими традиционные виды топлива. Это особенно важно для заповедных мест Забайкалья, где забота о здоровье людей и окружающей биосфере должна стоять на первом месте.
В настоящее время получены решения на основные технические вопросы и методики расчетов, связанных с внедрением устройств ВИЭ. Разработаны методики оптимизации энергосистем на основе различных видов ВИЭ. В зарубежных странах проводятся исследования в области обеспечения устойчивого развития энергетики и разработки количественных критериев устойчивости, но вопросы комплексного использования ВИЭ и традиционных видов топлива в рамках программы устойчивого развития энергетического сектора экономики региона с учетом специфики региона не получили должного решения.
Работа проводилась в соответствии с: подпрограммой «Энергообеспечение регионов, в том числе северных и приравненных к ним территорий на основе возобновляемых источников энергии и местных видов топлива», Федеральной целевой программы «Энергоэффективная экономика», утвержденной Постановлением Правительства Российской Федерации от 17 ноября 2001 г. № 796; планом по фундаментальным и прикладным исследованиям РАСХН, принятым на срок 2001-2005 гг. по теме - 03.01.03. Разработать методы, технические средства и рекомендации эффективного использования возобновляемых источников энергии в сельскохозяйственном производстве и быту сельского населения.
Основной целью исследования является разработка системы устойчивого энергоснабжения автономного сельскохозяйственного объекта на основе комплексного использования возобновляемых источников энергии и традиционных видов топлива для условий Забайкалья.
Основной задачей исследования является обеспечение энергетической и экологической безопасности Забайкалья и последующего устойчивого развития региона. Для достижения поставленной задачи необходимо:
разработать основы региональной программы устойчивого энергоснабжения, необходимой для поддержки внедрения энергоустановок на основе ВИЭ в сельскохозяйственное производство и частный сектор;
исследование распределения ВИЭ региона, выбор и обоснование целесообразных для применения, как возобновляемых источников энергии, так и традиционных видов топлива,
определение районов и категорий потребителей Забайкалья, где использование систем энергоснабжения использующих ВИЭ по техническим и экономическим параметрам оправдано и необходимо;
исследование солнечных модулей с концентраторами и разработка новых конструкций;
исследование потерь мощности солнечного модуля при влиянии на его работу различных факторов;
6) исследование энергопотребления типового для Забайкалья сельского дома;
Научная новизна представленных разработок заключается в следующем:
1) обоснованы основные принципы устойчивого энергоснабжения Забайкалья, определяющие направления и действия, обеспечивающие стимулирование и развитие использования Б И Э;
разработаны конструкции солнечных модулей с асимметричными параболоцилиндрическими концентраторами;
разработан метод исследования солнечных модулей с асимметричными параболоцилиндрическими концентраторами;
разработан метод преобразования вольтамперной характеристики последовательного соединения фотопреобразователей к виду вольтамперной характеристики единичного фотопреобразователя;
разработана модульная система энергоснабжения на основе солнечных модулей с асимметричными параболоцилиндрическими концентраторами;
разработана комбинированная система энергоснабжения автономного сельскохозяйственного объекта в условиях Забайкалья на основе комплексного применения возобновляемых источников энергии и традиционных видов топлива
Основные положения, выносимые на защиту:
основные принципы устойчивого энергоснабжения Забайкалья;
конструкции солнечных модулей с асимметричными параболоцилиндрическими концентраторами;
метод исследования солнечных модулей с асимметричными параболоцилиндрическими концентраторами;
метод преобразования вольтамперной характеристики последовательного соединения фотопреобразователей к виду вольтамперной характеристики единичного фотопреобразователя;
модульная система энергоснабжения на основе солнечных модулей с асимметричными параболоцилиндрическими концентраторами;
комбинированная система энергоснабжения автономного сельского дома на основе комплексного применения возобновляемых источников энергии и традиционных видов топлива для условий Забайкалья.
Достоверность результатов исследований, теоретических и методических обоснований, выводов и рекомендаций подтверждена совпадением результатов расчетов с данными испытаний солнечных модулей, а также статистическими данными российских и международных организаций.
Практическая ценность. Представленная работа, содержащая основные принципы устойчивого энергоснабжения Забайкалья, определяющие направления и действия, обеспечивающие стимулирование и развитие использования ВИЭ является основой формирования региональной программы устойчивого энергоснабжения.
Разработанные конструкции солнечных модулей с трансформируемыми концентраторами и технология их изготовления позволяет повысить надежность и производительность солнечных установок, снизить удельную стоимость, эксплуатационные расходы, обеспечить возможность трансформации модулей при эксплуатации или придания компактных размеров для транспортировки установок в места сезонного использования или хранения.
Методика исследования солнечных модулей с асимметричными
параболоцилиндрическими концентраторами позволяет сократить сроки испытаний новых конструкций солнечных установок.
Методика анализа потерь мощности солнечного модуля с достаточной степенью точности позволяет учитывать влияние различных факторов на работу модуля и позволяет существенно сократить сроки, расходы дорогостоящего материала, денежные средства в период исследований новых конструкций солнечных модулей с концентраторами.
Комбинированная система энергоснабжения автономного сельского дома, использующая солнечную энергию, позволяет экономить традиционные виды топлива в пределах 1,53 т у. т. от необходимого количества для отопления дома и обеспечить круглогодичное снабжение электроэнергией и горячей водой жителей дома.
Результаты исследования направлены на разработку рекомендаций по проектированию систем энергоснабжения автономных сельскохозяйственных объектов Забайкалья на основе
комплексного использования возобновляемых источников энергии и традиционных видов топлива, а также применимы в образовательных целях.
Реализация результатов работы:
Научные и методические материалы диссертации приняты за основу формирования программ устойчивого энергоснабжения администрациями Агинского Бурятского автономного округа и Усть-Ордынского Бурятского автономного округа, являющихся субъектами РФ, территориально расположенные в бассейне оз. Байкал.
Опытные образцы солнечных модулей с асимметричными параболоцилиндрическими концентраторами приобретены научно-исследовательскими учреждениями и коммерческими фирмами Германии и Южной Кореи.
Разработанные методики исследований солнечных модулей с асимметричными параболоцилиндрическими концентраторами и расчета выходных параметров данных солнечных установок, используются в учебном процессе кафедры нетрадиционных и возобновляемых источников энергии МЭИ и технических дисциплин АФ БГСХА.
На основании выполненных исследований составлены технические предложения, переданные заинтересованным в реализации отдельных проектов совместным российско-датским компаниям «TechnoCluster» и «Thermosol-Rus».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-практической конференции «Научно-технические проблемы механизации и автоматизации животноводства в XXI веке и проблемы эффективности производства» (г. Подольск, 2001), Международной научно-практической конференция: «Земледельческая механика в растениеводстве» (г. Москва, 2001), Международной научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника» (г. Санкт-Петербург, 2002), Научно-практической конференции посвященной 125-летию со дня рождения академика Н.В. Рудницкого «Здоровье - питание - биологические ресурсы» (г. Киров, 2002), 3-й международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2003), Научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение как фактор социально-экономического развития регионов центрального федерального округа» (г. Смоленск, 2003), 4-ой Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва, 2003)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, включая 2 решения о выдаче патентов Российской Федерации на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 167 источников и приложений. Работа изложена на 180 страницах текста, содержит 77 иллюстраций и 46 таблиц.
Основные направления применения возобновляемых источников энергии в Забайкалье
Задачи удовлетворения потребностей сельскохозяйственного производства края, имеющего в основном животноводческое направление, а также сельского населения в электрической энергии и теплоте приводят к необходимости развития малой возобновляемой энергетики. Исходя из климатических особенностей Забайкалья, процесс потребления энергии в сельской местности носит непрерывный характер, то есть независимо от времени года и погодных условий, ежесуточно потребляется электрическая энергия и теплота. Непрерывный рост цен на традиционные энергоносители заставляет сельскохозяйственных производственников наиболее экономно использовать энергию, применяя эффективные технические средства и режимы работы оборудования. В свою очередь внедрение энергоэффективных технологий, использующих возобновляемые источники энергии (13ИЭ) рассматривается как одно из основных условий устойчивого развития энергоснабжения всего региона.
При сложившемся современном состоянии проектирования и практического использования научно-технических разработок в сфере возобновляемых источников энергии, результатом является высокая стоимость получаемой электрической энергии и теплоты по сравнению с традиционными источниками. Реализованные проекты промышленного теплового и электрического оборудования имеют низкий КПД за счет неэффективного использования оборудования, а также вырабатываемой с его помощью энергии. В настоящее время оборудование для выработки электричества, горячей воды и теплоты применяется независимо друг от друга, что приводит к повышению капитальных затрат, занимаемой площади и низкой эффективности установок.
В то же время существуют устойчивые тенденции снижения стоимости энергии, получаемой от возобновляемых источников, обусловленной научными достижениями в области совершенствования методов и оборудования в сфере их использования. Данное снижение стоимости также объясняется непрерывным повышением тарифов на электрическую энергию, получаемую в основном от переработки ископаемого топлива, обусловленной повышением цен на технологии добычи и транспортировку топлива к потребителю.
В данной ситуации необходима корректировка основных направлений развития возобновляемых видов энергии в крае и разработка региональной программы устойчивого энергоснабжения, рекомендующая для применения наиболее обоснованные и целесообразные по экологическим, технико-экономическим и социальным параметрам виды ВИЭ. В ходе работы особенно важно применение рекомендаций, с помощыо которых производится подбор источников возобновляемой энергии для проектируемых систем устойчивого энергоснабжения сельскохозяйственных объектов и домов Забайкалья.
Основные действия и рекомендуемые направления по устранению препятствий на пути реализации планов развития использования ВИЭ в условиях Забайкалья: вывод ВИЭ на рынок электроэнергии по конкурентоспособным ценам; внесение изменений в строительные нормы и правила (СНиП), предусматривающие установку в зданиях и сооружениях оборудования для использования ВИЭ; создание и модернизация существующей материально-технической базы для производства оборудования по использованию ВИЭ; организации предприятий и центров демонстрации с сервисным обслуживанием оборудования по использованию ВИЭ. Основываясь на зарубежном опыте, решить такие проблемы, требующие законодательного регулирования, как [162]: создание внебюджетных и государственных источников финансирования разработок и внедрения проектов по использованию ВИЭ; предоставление налоговых льгот производителям оборудования по использованию ВИЭ; выплата компенсаций за оборудование по использованию ВИЭ, приобретенное и установленное потребителями; юридическая поддержка коммерческой деятельности по производству теплоты и электроэнергии с использованием ВИЭ. Невысокие темпы внедрения ВИЭ в Забайкалье объясняются в первую очередь в существовании «замкнутого круга» - для повышения качества оборудования и снижения цены на него требуется серийное промышленное производство, в свою очередь массовое производство возможно при наличии спроса, а спрос возникает на оборудование высокого качества и невысокой цены. Также влияют на темпы развития отсутствие специализированных предприятий по распространению и техническому обслуживанию данного оборудования,
В Российской Федерации более половины территории относится к зоне децентрализованного энергоснабжения. Примерно 30 % из 280 тыс. фермерских хозяйств страны и около 20 % садово-огородных участков созданы на свободных и новых участках земли [46, 154]. К таким проблемным территориям, с точки зрения энергоснабжения, можно отнести и Забайкалье, где существует достаточное количество районов и категорий потребителей, в которых по экономическим и экологическим причинам наиболее целесообразно применение и дальнейшее развитие малой нетрадиционной энергетики на основе ВИЭ: отдаленные сельские районы с децентрализованным энергоснабжением и низкой плотностью населения; районы с большим дефицитом мощности в системе энергоснабжения и, следовательно, значительными потерями в сельскохозяйственном производстве но причине частых отключений электричества в энергосетях; населенные пункты со сложной экологической обстановкой вследствие вредных выбросов промышленных и городских котельных, работающих на традиционном топливе; рекреационные и курортные зоны, а также места массового отдыха населения края; жилые зоны для индивидуального строительства, фермерские хозяйства, садово-огородные участки и места сезонной работы с проблемами энергоснабжения. Энергоснабжение автономных потребителей отдаленных районов Забайкалья в основном обеспечивается такими источниками электроэнергии, как генераторные установки с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) различной мощности. Источниками теплоты для отопления жилых домов, административных зданий и других хозяйственных нужд являются древесное и органическое ископаемое топливо. Сложности, связанные со стоимостью и доставкой как жидкого, так и твердого топлива, ограниченный ресурс ДВС приводят к значительным трудностям с электроснабжением, обеспечением теплотой и горячим водоснабжением практически всех автономных потребителей региона. Использование данных установок ведет к ухудшению экологической обстановки, вследствие шума при работе и выбросов в окружающую среду продуктов сгорания.
Особенно актуально применение возобновляемых источников энергии в Забайкалье по причине превалирующего в регионе аграрного направления хозяйствования, где энергия в основном используется автономными потребителями и в количественном отношении потребление ее не так значительно, как при промышленном производстве. Систе.чы, использующие ВИЭ, как правило, имеют модульный принцип построения и ввода в эксплуатацию малыми блоками. Поэтому такие системы становятся весьма актуальными для сельских и удаленных районов, не подключенных к централизованному электроснабжению. Систему модульного типа небольшой мощности можно использовать для снабжения электричеством, горячей водой и теплотой автономных сельскохозяйственных объектов и сельских домов.
Параллельное и последовательное соединение солнечных элементов
Использование формулы (2.47) или (2.49) позволяет построить графики зависимости максимальной мощности от интенсивности излучения, а также проанализировать влияние интенсивности и параметров солнечного элемента на отдаваемую мощность. Например, на рис. 2.10 приведены экспериментальная и рассчитанная с использованием го по (2.47) зависимость максимальной мощности Рм СЭ, описанного выше, от величины генерируемого фототока іф.
Кроме предложенных выше способов нахождения оптимальной точки существуют и другие способы. В [98], например, описан простой графический способ, отличающийся высокой точностью определения максимальной мощности. Способ основан на том факте, что в точке максимальной мощности величины to и щ равны половине длин отрезков, отсекаемых по осям / и н, касательной к ВАХ в точке /V В [98] указывается, что погрешность определения Ли этим способом порядка 1 %. И лишь необходимость графических построений ограничивает возможности его применения. Можно привести и другие методики определения максимальной мощности. Но мы ограничимся сравнением предложенного нами способа вычисления TV с графическим, считая последний точным. Максимальная мощность, генерируемая СЭ, определялась при построении экспериментальной кривой на рис. 2.10 именно графическим способом.
Как следует из рисунка, расхождение расчетных значений Рм с экспериментальными практически отсутствует. Это может служить косвенным подтверждением эффективности изложенной выше методики расчета максимальной выходной мощности Р\( по параметрам СЭ. Для увеличения выходного напряжения СБ солнечные элементы соединяются последовательно в непочки элементов. Если все элементы обладают одинаковыми параметрами и освещенность их так же одинакова, то выходное напряжение, даваемое цепочкой из п солнечных элементов, равно иа = и\п (2.50) а ток, даваемый цепочкой, не зависит от числа элементов п, и максимальная мощность цепочки Ра может быть легко рассчитана по методике, описанной в п. 2.3.2.2. В реальных условиях часть элементов оказывается затененной, и ток цепочки определяется наиболее затененным элементом. Соответственно, напряжения, даваемые каждым из элементов цепочки, различаются и формула (2.50) становится весьма приближенной, а при существенно различающихся уровнях освещенности элементов и не применимой далее для приближенных оценок. С другой стороны, и в условиях одинаковой освещенности фототоки іф генерируемые элементами, различаются, что так же приводит к некорректности (2.50). Аналогичная ситуация создается и и отношении мощности, снимаемой с цепочки. Поэтому получим уравнения для нахождения максимальной мощности, которую генерирует цепочка, состоящая из различающихся СЭ. Согласно (2.38) напряжение на л-ом элементе равно V„ , его параметры будем обозначать индексом п: (2.51) Г. «C/ftln(l-- -) +/„-/. ,. фп Напряжение холостого хода Ux„ определяется по (2.37). Условиями последовательного соединения являются: «=»!- = - = h= 1 va = Zvn (2.52) Индексом, а помечены величины, относящиеся к соединенным элементам. Подставляя (2.51) во второе уравнение в (2.52), имеем выражение для ВАХ цепочки из п элементов: г.-Ъ К- — UJn\n iR, (2.53) я-1 Здесь обозначено: к„ - коэффициент освещенности СЭ, к„ = ц іфь Для определенности предполагается такой характер освещения, когда кп убывают с ростом номера п. Поскольку ток цепочки, согласно эквивалентной схеме на рис. 2.3 а, ограничен током короткого замыкания СЭ с минимальным іф, то выполняется неравенство / к2 кз ... „ ... .v / (2.54) Предположение (2.54) не ограничивает применимость ВАХ (2.53). Мощность, выделенная на нагрузке Ра
Этот факт имеет простое объяснение: потери мощности на последовательном сопротивлении растут пропорционально квадрату тока.
Недостатком изложенного метода расчета, который мы будем считать точным, является необходимость численного решения нелинейных алгебраических уравнений. В результате, как видно из рис. 2.11 - 2.14, все равно получаются практически линейные зависимости, Поэтому при решении конкретных задач в случае большего числа N зачастую прибегают к приближенным оценкам по следующей методике [18]. Предполагают, что один из элементов затенен значительно сильнее остальных и ток во внешней цепи равен току короткого замыкания этого элемента. Такое представление практически эквивалентно аппроксимации ВАХ реального СЭ прямоугольной ВАХ, рассмотренной в п. 2.3.1.2.
Как было показано, такая оценка максимальной мощности оказывается значительно заниженной. Кроме того, предполагается, что наиболее затененный элемент не дает вклада в выходную мощность, что так же занижает оценку. Впрочем, при больших N последнее замечание мало существенно, поскольку оптимальная точка каждого из элементов в отдельности лежит выше тока короткого замыкания /A-,.v. Соответственно,
Исследования солнечных модулей с асимметричными параболоцилиидрическими концентраторам и
Для подсчета годовой выработки электроэнергии солнечным модулем необходимо учитывать оптический КПД концентратора солнечного излучения (7jonm = 0,8) и количество прямой СР, которое обычно составляет 55 - 80 % от суммарной. Таким образом, выработка электроэнергии на солнечном модуле составляет приблизительно 50 - 70 % от выработки плоских солнечных батарей с тем же КПД.
Данные таблицы 3.2. также могут быть использованы для опенки производства горячей воды солнечным модулем. Дія того, чтобы получить месячное или годовое производство тепла и горячей воды необходимо умножить данные таблицы на КПД установок.
Солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором (рис. 3.3.) с углом раскрытия отражателя 36 угл. град, и геометрическим коэффициентом концентрации: KK0 l+2/(1-cos 25)=4,17. Двухсторонние солнечные элементы помещены в узкий стеклопакет, заполненный специальной жидкостью. стекіянное ппкпытие.
На рисунке 3.4. представлена фотография солнечного модуля с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором. Габаритные размеры составляют 2,5x0,74x0,27 м3. Для работы установки в стационарном режиме в течение 9 месяцев достаточно раскрытия в 36 угл. град, при максимальном коэффициенте концентрации равном 5.
В качестве отражающего покрытия была использована алюминиевая фольга фирмы «Alanod» (Германия), коэффициент отражения которой равен 0,96.
Рисунок 3.4. Фотография солнечного модуля с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором с раскрытием 36 угл. град. В установке используется два двухсторонних солнечных модуля, в каждом из которых по 18 солнечных элементов. Размер одного элемента составляет 50x100 мм7. Габаритные размеры стеклопакета модуля равны 0,11x0.90x0.008 м3. КПД солнечного модуля равен 11 % для лицевой стороны и 10 % для тыльной.
Пиковая мощность солнечной установки по результатам опытов, приведённых к стандартным условиям освещённости (1000 Вт/м7, 25С), составляет 75 Вт (40 Вт/м2), При установке в солнечный модуль двухсторонних солнечных элементов с КПД равным 14 %, расчетная пиковая мощность может достигать значения 100 Вт, а с КПД в 20 % - 150 Вт. Время работы установки на широте г. Москвы в летнее время составило 10 ч/сут, (рис. 3.5.) [158].
Изменение тока короткого замыкания в течение дня солнечного модуля с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором
Низкий коэффициент концентрации в пределах 3,5 интересен тем, что в этом случае используется рассеянная составляющая солнечного излучения, а также имеется возможность пассивного охлаждения.
Солнечные модули с концентраторами представляют собой новую перспективную технологию преобразования солнечной энергии для автономного и широкомасштабного применения со стоимостью производства 30 - 60 руб./Вт. Дальнейшее развитие данных технологий связано с решением проблем охлаждения модулей и совместного производства тепла и электрической энергии, а также с применением двухсторонних солнечных элементов с КПД 15 - 20 %.
Асимметричный параболоцилиндрический концентратор разработан и изготовлен в ГНУ ВИЭСХ с применением технологий, основанных на принципах неизображающей оптики, и относится к классу отражающих. Солнечный модуль также разработан и изготовлен в ГНУ ВИЭСХ. На рисунке 3.6 представлен солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором. Солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором, а) фотография солнечного модуля во время лабораторных испытаний б) изображение установки: 1 асимметричный концентрирующий отражатель, 2 - двухсторонние фотоэлементы, 3 - солнечный модуль, содержащий скоммутированные солнечные элементы с двухсторонней рабочей поверхностью в стеклопакете заполненном специальной жидкостью, (+) и (-) - рабочие поверхности модуля; в) ход солнечных лучей, 4 - апертурный угол концентратора.
Концентратор представляет собой параболическую поверхность основной ветви зеркального отражателя, плавно переходящую в нижней части полуцилиндрическую поверхность второго зеркального отражателя. В фокальной области зеркального отражателя расположен солнечный модуль с двухсторонней рабочей поверхностью, содержащий скоммутированные солнечные элементы. На внешнюю (-) сторону модуля может падать как неконцентрированное, так и концентрированное солнечное излучение в зависимости от угла между плоскостью миделя концентратора и высотой Солнца. На внутреннюю (+) сторону падает концентрированный поток солнечного излучения, получаемый в результате многократного отражения лучей от зеркальной поверхности концентратора [159].
Методика оценки энергетического влияния возобновляемых источников энергии на тепловой баланс дома
Затраты энергии на климатизацию внутренних помещений сельского дома зависят от комплексного влияния на тепловой режим дома отдельных метеорологических показателей. Учет совместных сочетаний отдельных метеорологических показателей таких как: температура, влажность, скорость и направление ветра, солнечной радиации является главным требованием, предъявляемым к математической модели показателей наружного климата.
Существуют три метода к построению математической модели: 1. детерминированный; 2. вероятностный; 3. детерминировано - вероятностный [148].
При построении математической модели совокупности показателей наружного климата с использованием вероятностных методов изменение данных показателей является случайным процессом и в этом случае нельзя получить единого для всех местностей и конкретных задач результатов.
Детерминированный метод, применяемый в данном расчете, основывается на применении реачьного сочетания показателей наружного климата за определенный период.
При использовании возобновляемых источников энергии в системе теплоснабжения дома а том или ином географическом пункте Забайкалья необходимо определить значения параметров климата, характеризующих его энергетические возможности, целесообразность и эффективность их применения в проекте. Основными параметрами наружного климата в таком случае являются температура (или ее производная - энтальпия) наружного воздуха, скорость ветра и солнечная радиация, которые при репрезентативной выборке считаются независимыми величинами.
Методика оценки энергетического влияния ВИЭ при статистической обработке климатических данных следующая:
1. Выбирается период метеорологических наблюдений за определенный период.
2. В зависимости от вида проектируемой системы и режима работы по использованию ВИЭ производится отбор метеорологических данных по необходимому комплексу параметров: данные метеорологических наблюдений делятся на летний, зимний и переходный периоды; параметры выбираются из наиболее жарких или холодных суток, пятидневки, декады и т.д.;
3. Составляются комплексы совместного проявления климатических параметров, охватывающие все показатели, характеризующие энергетическую эффективность климата региона. Одной из составляющих каждого из указанных комплексов должна быть температура воздуха.
4. Группировка метеорологических данных производится в соответствии с действующими нормативными документачи и справочниками и с учетом расчетных технических характеристик проектируемых систем;
5. В зависимости от режима работы системы за расчетное значение температуры наружного воздуха рекомендуется принимать значения:
для летнего и зимнего периодов - экстремальные значения; для переходного периода - среднемесячные значения;
6. Из расчетных технических характеристик системы определяются границы рабочего интервала;
7. Рассматривая каждый из комплексов с учетом п. 5 и 6, по формуле определяется расчетное значение средневзвешенной величины Ycai по частоте наблюдений при условии, что параметр не является ограниченным Yca!=(Yl n!ik+Y2 n2,k+...+Yj nlk+... + Ym n„,0/ (4.1) /07/. +Лг.і+...+Лд+...+ Пт,0, где Km - параметр, описывающий энергетические возможности климата; nmk - частота событий. 8. Коэффициент совместной обеспеченности определяется по формуле: Кге1(ХсЫ, Уса1) = / - W(Xcai, Уы); (4.2) где A"fa/-расчетный основной параметр климата; W(Xcai, YcaO совместная вероятность. При рассмотрении двухмерного комплекса, состоящего из параметров X и Z, аналогично получим: КП:(ХСЫ Zcat) = I ЩХсаІ. Zca\); (4-3) где Zcai - расчетный параметр климата. Если параметры X, Y, Z попарно независимы, то совместный коэффициент обеспеченности их расчетных значений определяется из соотношения: Krel(Xcai, Ycat, Zcai) = Krei(Xca}, YCat,J Kre\(XCa\i ZCaU C+.4J Влияние наружного климата на ограждающие конструкции дома удобнее всего характеризовать метеорологическим градиентом, учитывающим направление, величину, повторяемость показателей наружного климата и влияющим на тепловой баланс помещений. Имеющие различную ориентацию помещения дома значительно отличаются друг от друга по величине теплопоступлений и теплопотерь. Суточные суммы прямой солнечной радиации на различно ориентированные поверхности для 5\с. ш. (Забайкалье, г. Чита) приведены в таблице 1.1., (гл. I.) Исследование показателей влияния солнечной радиации на вертикальные поверхности ограждающих конструкций домов в зависимости от их ориентации и времени года для 51с. ш. показало [148]: в течение летнего времени года приход прямой солнечной радиации за сутки на вертикальные поверхности юго-восточной и юго-западной ориентации на широтах Забайкалья эта величина достигает в среднем 3225 Вт сут./м2\ в зимнее время года наибольшие суммы прямой солнечной радиации в течение суток поступают па вертикальные поверхности южной ориентации. Данный показатель равняется 3257 Вт сут./м2\ в летнее время года на широтах Забайкалья наибольшее поступление рассеянной солнечной радиации за сутки на вертикальные поверхности восточной и западной ориентации равняется 1350 Вт-сут./м и на вертикальные поверхности южной ориентации - 1254 Вт-сут./м2. Приход прямой солнечной радиации за сутки на вертикальные поверхности в широтах Забайкалья колеблется от 3439 Вт-сут/м до 5537 Вт-сут/м , что в среднем составляет 4822 Вт -сут/м2.
Результаты исследований распределения поступления тепла солнечной радиации на вертикальные ограждающие конструкции дома открывают дополнительные возможности при проектировании энергоэффективных сельских домов в климатических условиях Забайкалья.
Скорость и направление ветра параллельно с солнечной радиацией и температурой наружного воздуха очень часто оказывается решающим фактором в изменении теплового баланса дома.
При проектировании сельского дома в климатических условиях Забайкалья решение задачи эффективного использования положительного и в той же мерс нейтрализации отрицательного влияния наружного климата на его ограждающие конструкции в основном заключается в выборе размеров, формы и ориентации дома, а также расположения и площади оконных проемов, выбора теплоизоляции стен, расчета систем вентиляции, кондиционирования и отопления его внутренних помещений руководствуясь обобщенными климатическими показателями региона. Для строительства энергоэффективного дома в определенной географической точке края следует учесть многолетние опыт строительства и метеорологические данные показателей наружного климата данной местности с последующим как можно более эффективным применением.
Проанализировав результаты распределения тепла солнечной радиации на вертикатьные поверхности дома и исследования температурной розы ветров г. Читы, делаем следующие выводы.
