Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Современная энергетика в основном базируется на не возобновляемых ископаемых первичных источниках энергии (ПИЭ). Такое производство и потребление энергии помимо того, что является одним из основных антропогенных факторов, отрицательно влияющих на окружающую среду, не может гарантировать устойчивого развития мировой энергетики на длительную перспективу. Различные сценарии развития человечества предполагают необходимость широкого освоения новых возобновляемых источников энергии (ВИЭ) уже в ближайшие десятилетия как по причине неизбежного сокращения добычи и повышения стоимости нефти, газа и угля, так и по экологическим причинам [1].

Рассматривая спектр возобновляемых источников энергии их можно классифицировать по видам энергии:

  1. Механическая энергия (энергия ветра и потоков воды)
  2. Тепловая и лучистая энергия (энергия солнечного излучения и тепла Земли)
  3. Химическая энергия (энергия, заключенная в биомассе) [2].

1. Актуальность темы

Возобновляемая энергетика на сегодняшний день, является активно развивающейся отраслью электроэнергетики. В связи с парниковым эффектом, постоянно ухудшающимся экологическим состоянием в мире, сокращением и недостатком ископаемых ресурсов. Необходимости в децентрализации систем электроснабжения, как на международных, так и на государственных уровнях принимается ряд законодательных и технических решений [2].

Делегаты Второго комитета 67-й сессии Генеральной Ассамблеи ООН приняли резолюцию A/67/437/Add.9 Содействие расширению использования новых и возобновляемых источников энергии. Отмечается, что в настоящее время доля новых и возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе по–прежнему невелика в силу высокой стоимости соответствующих технологий и отсутствия доступа к ним. Так же правительствам было рекомендовано создать благоприятные условия для популяризации и использования новых и возобновляемых источников энергии и более эффективного энергопотребления [3].

pic1

Закон Украины О электроэнергетике в редакции от 27.04.2014, Раздел 1, статья 5. Государственная политика в электроэнергетике базируется на ряде принципов, среди которых, содействие развитию альтернативной энергетики, как экологически чистой и без топливной подотрасли энергетики путем установления зеленого тарифа и оплаты электростанциям, которые вырабатывают электрическую энергию с использованием альтернативных источников энергии, всей выработанной ими электрической энергии в полном объеме в денежном эквиваленте, без применения любых видов расчетов погашения задолженности по счетам электроэнергии [4].

В настоящее время большое количество потребителей электрической энергии расположены вдали от источников централизованного электроснабжения, что требует построения протяженных линий электропередач, а это в свою очередь увеличивает потери. В связи с развитием альтернативной энергетики появилась возможность дополнить существующую инфраструктуру децентрализованными системами генерации электричества и тепла, которые помогут существенно снизить потери вследствие передачи и преобразования электричества [5].

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является: рассмотреть режимы работы автономных систем электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии, оценить возможность и целесообразность их применения .

Одним из наиболее повсеместно доступных и перспективных ВИЭ является солнечная энергия, позволяющая электрифицировать отдельные удаленные от электрических сетей объекты [6] . Распределение солнечного излучения, можно оценить из представленного рисунка 2.

pic2

Рисунок 2 — Карта мира с нанесенной среднегодовой освещенностью [7]

Существует два типа преобразования солнечной энергии — в электрическую и тепловую. В свою очередь, электроустановки бывают двух основных видов:

  1. солнечная энергия нагревает воду или другое рабочее тело до парообразного состояния, пар направляется в турбину, вращающую электрогенератор;
  2. солнечная энергия преобразуется непосредственно в электрическую с помощью фотоэлементов [8].

В свою очередь все фотоэлементы, по принципу своего действия делятся на два класса. К первому классу относятся фотоэлементы, основанные на внешнем фотоэффекте, – вакуумные и газонаполненные, ко второму — полупроводниковые фотоэлементы с запирающим слоем, иначе еще называемые вентильными, работа которых основана на внутреннем фотоэффекте. К последним относятся медно–закисные, селеновые, германиевые, кремниевые и другие [9].

Широкое внедрение солнечной энергетики в космосе и на земле ставит перед проектировщиками проблему оценки эффективности работы фотоэлектрических систем (ФЭС). Необходимо иметь возможность предсказать располагаемую мощность солнечных батарей(СБ) изменяющуюся под действием разнообразных факторов окружающей среды, оценить поведение фотоэлектрических преобразователей в различных режимах роботы. Прогнозирование поведения и воспроизведение характеристик солнечных элементов и СБ осуществляется с помощью моделирования. По сравнению с экспериментом, математическое моделирование предоставляет более быстрый, гибкий и дешевый способ испытания ФЭС [10].

Так в магистерской работе представлена усовершенствованная математическая модель фотоэлектрического модуля. Данная модель выполнена в программном пакете MATLAB Simulink, основой к работе была модель разработанная А.Ю.Федоровым [16].

pic3

Рисунок 3 — Модель фотоэлектрического модуля реализована в программном пакете MATLAB Simulink

Реализованная модель позволяет охватить перечень факторов, влияющих на работу реальных фотоэлектрических модулей. В математических расчетах используются паспортные данные, такие как напряжение холостого хода, ток короткого замыкания, максимальная мощность, напряжение и ток в точке максимальной мощности, количество последовательно и параллельно соединенных фотоэлектрических элементов. Модель учитывает условия уровня солнечного излучения, температуру окружающей среды и фотоэлектрического элемента, а так же особенности фотоэлектрического модуля. Полная модель выполняет построение вольт-амперных и мощностных характеристик.

3. Обзор исследований и разработок

Повышение энергетической эффективности установок, использующих ВИЭ, является весьма актуальной проблемой, которая решается различными путями, предусматривающими как улучшение технико–экономических характеристик собственно энергетического оборудования, так и оптимизацию его энергетических балансов и режимов с учетом изменяющейся нагрузки и энергии возобновляемого источника [2].

Исследования в сфере моделирования фотоэлектрических модулей в программном пакете MATLAB Simulink приведены в [5], [10-16]. Рассмотрены математические модели различных конфигураций и режимов работы.

В статьях [5], [12-16] представлены математические модели реализованные в программном пакете MATLAB Simulink, выполненные по различным алгоритмам. В современном моделировании, существует несколько основных схем замещения для математического описания фотоэлектрических модулей. Так в каждой статье приводится выбранная для математической модели схема замещения и соответственно формула выходного тока по данному методу.

Необходимо отметить, что неизбежным в работе фотоэлектрического модуля, является затенение, вопрос моделирования данного процесса освещен в [10].

Моделирование влияния теней произвольной формы на характеристики солнечных батарей дает возможность оценить потери мощности при различных вариантах затенения. При частичном затенении одиночного элемента или их группы происходит снижение выходной мощности солнечной батареи вследствие уменьшения поступающей в элемент световой энергии и увеличения внутренних потерь энергии в неосвещенной части элемента. В работе показана положительная роль шунтирующих диодов, они предохраняют работу батареи, когда один из элементов полностью затенен [10].

pic4

Рисунок 4 — Моделирование затенения СБ: 1 — СБ из 18 СЭ с затененными фотоэлементами и шунтирующими диодами, 2 — сравнение ВАХ частично затененной и не затененной батареи [10]

Режим совместной работы солнечных модулей и ветровых турбин, представлен в статье [11]. Данная фотоэнергетическая установка состоит из солнечных модулей, ветровых турбин, аккумуляторных батарей, инвертора, контроллера и других устройств. При изобилии источников энергии (солнечной и ветровой), генерируемые мощности, после удовлетворения спроса нагрузки, будут заряжать батарею, впоследствии при недостаче энергии отданных источников, батареи будут разряжать энергию для покрытия потребностей нагрузки.

Существуют и сетевые электростанции, использующие возобновляемые энергоресурсы, не требуют устройств аккумулирования и резервирования электроэнергии. Мощная электрическая система способна полностью принять всю энергию, вырабатываемую электростанцией. Кроме того, энергосистема способна эффективно влиять на режим станции, работающей синхронно с сетью. Отмеченные особенности несколько упрощают и удешевляют конструкцию сетевых установок возобновляемой энергетики по сравнению с автономными электростанциями [2].

4. Основные достоинства и недостатки фотоэлектрических систем

К основным достоинствам фотоэлектрических систем можно отнести, неисчерпаемость энергетического ресурса, простоту установки, отсутствие движущих частей, минимальная потребность в уходе, отсутствие шумов и вибраций. По сравнению с другими видами энергетики солнечная энергетика в целом является одним из наиболее чистых в экологическом отношении видов энергии.

Однако избежать полностью вредного воздействия солнечной энергетики на человека и окружающую среду практически не удается, если учесть всю технологическую цепочку от получения требующихся материалов до производства электроэнергии.

Наиболее характерны в этом аспекте солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ), эксплуатация которых наносит минимальный вред окружающей среде. В то же время производство полупроводниковых материалов является весьма экологически и социально опасным. В связи с этим в ряде стран мира (например, в США) существуют весьма жесткие требования к производству полупроводников для СФЭУ, а также к хранению, транспортировке и ликвидации вредных веществ от производства СФЭУ, ограничения контактов персонала с этими веществами, разработка планов действия в случае аварийных или нештатных технологических ситуаций, а также программы ликвидации отходов производства, отработавших свой срок или забракованных СФЭУ [17].

Так же к основным недостаткам, ограничивающим применение ВИЭ, следует отнести относительно низкую энергетическую плотность и крайнюю изменчивость. Низкая удельная мощность потока энергоносителя приводит к увеличению массогабаритных показателей энергоустановок, а изменчивость первичного энергоресурса, вплоть до периодов его полного отсутствия, вызывает необходимость в устройствах аккумулирования энергии или резервных энергоисточников. В результате, стоимость производимой энергии оказывается высока даже при отсутствии топливной составляющей в совокупной цене энергии [2].

Выводы

Процес выработки энергии на возобновляемых источниках энергии

Рисунок 5 — Процесс выработки энергии на возобновляемых источниках энергии
(анимация: количество кадров:4, количество циклов:5, объем: 154 кБ)

В связи с тяжелой экологической обстановкой, обостряющейся, парниковым эффектом, загрязнением воды и почвы. Необходим переход от не возобновляемых ископаемых первичных источников энергии к возобновляемым. На сегодняшний день в мировой практике известен ряд регионов и стран, решающих проблему энергообеспечения путем внедрения возобновляемой энергетики. Развитие технической и законодательной базы возобновляемой энергетики и устойчивые тенденции роста стоимости топливно–энергетических ресурсов уже сегодня определяют технико–экономические преимущества электростанций. использующих возобновляемые энергоресурсы. Очевидно, что в перспективе эти преимущества будут увеличиваться, расширяя области применения возобновляемой энергетики и увеличивая ее вклад в мировой энергетический баланс [2].

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2014 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Попель О.С., Туманов В.Л. Возобновляемые источники энергии: состояние и перспективы развития / Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология, АЭЭ, №2(46) (2007) – 135 с.
  2. Лукутин Б.В. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении: монография / Лукутин Б.В., Суржикова О.А., Шандрова Е.Б.. – М.: Энергоатомиздат, 2008. – 231 с.
  3. Оффициальный сайт Генеральной Асамблеи ООН [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.un.org/ru/ga/second/67/second_res.shtml.
  4. Оффициальный сайт Верховного Совета Украины [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://zakon4.rada.gov.ua/laws/show/575/97-вр.
  5. Федоров А.Ю., Левшов А.В. / Электроэнергетика, Раздел Светотехника и електротехника, (1) 2011 – 78 с.
  6. Петлеванная Е.В., Левшов А.В. Інформаційні управляючі системи та комп’ютерний моніторинг (ІУС-2011) / Матерiали II мiжнародної науково–технiчної конференцiї студентiв, аспiрантiв та молодих вчених. – Донецьк, ДонНТУ – 2011, Том 2, с. 132 – 136.
  7. Иллюстрированный справочник по Возобновляемой энергетике, INTERSOLARCENTER, Energie – 129 c.
  8. Голицын М.В. Альтернативные энергоносители / Голицын М.В., Голицын А.М., Пронина Н.В.; Отв.ред.Голицин Г.С. – М.: Наука, 2004. – 159с.
  9. Глиберман А.Я., Зайцева А.К. Кремниевые солнечные батареи. М – Л., Госэнергоиздат 1961. – 72 с.
  10. Фролкова Н.О. Моделирование солнечных батарей на основе различных полупроводников, Автореферат, Москва 2011г.
  11. Нгуен Минь Дык, Моделирование фотоэлектрического и ветроэнергетического модулей фотоэнергетической установки, V Международная студенческая электронная научная конференция
  12. Abdulkadir M., Samosir A.S. and Yatim A.H.M. Modeling and simulation based approach of photovoltaic system in simulink model, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences 616 - 623 pp.
  13. Tarak Salmi, Mounir Bouzguenda, Adel Gastli, Ahmed Masmoudi Matlab/Simulink Based Modelling of Solar Photovoltaic Cell, International Journal of Renewable Energy Research
  14. Savita Nema, R.K. Nema, Gayatri  Agnihotri Matlab/simulink based study of photovoltaic cells/modules/array and their experimental verification, International Journal of Energy and Environment
  15. Soumyadeep Ray , Sushree Subhadarsini Harmonic reduction technique using multilevel inverter in photo voltaic system with MPPT, International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, 2013.
  16. Левшов А.В., Федоров А.Ю., Молодиченко А.В. Математическое моделирование фотоэлектрических солнечных элементов, Научные труды Донецкого национального технического университета, №11(186), 2011.
  17. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К., СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: Учебное пособие для вузов / Под ред. Виссарионов В.И. – М.:Издательский дом МЭИ, 2008. – 317 с. .