ДонНТУ   Портал магистров

Должиков Никита Валерьевич

Французский технический факультет

Кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий и городов»

Специальность «Электротехнические системы электропотреления»

Исследоание альтернативных источников энергии

Научный руководитель: к. т. н., профессор Александр Васильевич Левшов

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Описание структуры СЭС
• 3. Моделирование солнечной батареи
• Выводы
• Список источников

Введение

В последние годы заметно усилилось внимание к поиску и освоению нетрадиционных источников энергии, которые отличаются от ископаемых органических ресурсов своими громадными запасами, т.е. они практически неисчерпаемы или периодически возобновляются. Загрязнение окружающей среды, рост цен на энергоносители и уменьшение их запасов обосновывают использование экологически чистых и, возможно, более дешевых источников энергии. Таковыми являются, так называемые, возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Одним из наиболее перспективных видов ВИЭ является энергия солнца. Солнце, по человеческим меркам, – неисчерпаемый источник энергии. Существуют устройства, преобразующие солнечную энергию в электрическую. Это солнечные элементы. Для создания солнечных электростанций (СЭС) солнечные элементы объединяют в батареи и крепят на основании для удобства их конечного монтажа и увеличения прочности. Такая конструкция называется солнечной панелью или солнечным модулем. В нынешнее время производство таких солнечных панелей достигло значительных масштабов. Относительно доступные солнечные модули имеют коэффициент преобразования солнечного света в электричество 7-18 %. Максимальный же коэффициент преобразования на сегодняшний день около 40 %. Но дороговизна высокопроизводительных элементов не позволяет использовать их для создания электростанций широкого потребления, поскольку это экономически нецелесообразно.

1. Актуальность темы

Актуальность солнечной энергетики постоянно растет, потому что солнечная энергия является экологически чистой. Вторая причина актуальности использования солнечной энергии заключается в её ресурсоемкости.

Всего за 9 минут Земля получает больше энергии от Солнца, чем человечество производит за весь год. Эта энергия поставляется бесплатно и не оказывает влияния на окружающую среду непосредственно в вашей квартире.

Под солнечной энергией обычно понимают преобразование солнечного излучения в тепло. Солнечная энергия используется для получения горячей воды и может поддерживать отопление. Тепло может очень хорошо сохраняться и быть доступным в течение нескольких дней. Системы по преобразованию солнечной энергии используются для отопления, а также нагревают питьевую воду.

Солнечная энергия представляет собой сферу значимых инвестиций в условиях снижения запасов нефти и газа. Солнечная энергия способствует увеличению мирового потребления и росту цен на ископаемое топливо.

Тепловые насосы используются для обеспечения циркуляции энергии в окружающей среде. Хладагент используется для производства тепла. Эти компоненты прекрасно сочетаются в установке по производству солнечной энергии.

Эксплуатационные расходы на солнечную энергетику для систем отопления являются низкими, по сравнению с сопоставимыми системами без использования солнечной энергии.

2. Описание структуры СЭС

Основой солнечной электростанции является фотоэлектрический преобразователь. Принцип работы фотоэлектрического преобразователь достаточно прост и заключается в следующем.

При освещении солнечным светом единичный кремниевый фотоэлектрический преобразователь генерирует электрическое напряжение величиной около 0,5 В. Независимо от типа и схемы включения все (большие и малые) кремниевые солнечные элементы генерируют напряжение 0,5 В, при отсутствии нагрузки и номинальном значении солнечной инсоляции.

Для увеличения выработки энергии отдельные ФЭП собираются вместе и образуют фотоэлектрические модули, которые затем соединяются в массивы (рис. 1) для увеличения выходного напряжения фотоэлементы соединяют последовательно, а для увеличения мощности – параллельно. Модульная структура ФЭП позволяет строить различные фотоэлектрические системы в зависимости от выработки энергии для различного применения. Таким образом, фотоэлектрический элемент является составным элементом фотоэлектрических систем.

Последовательные модули ведут себя как энергопотребители: они нагреваются при протекании тока и могут выйти из строя. Для защиты используются обратные диоды (как показано на рис. 2).

При параллельном соединения и наличии затенения отдельного элемента он запирается и становится нагрузкой для остальных элементов, в результате этого затененный элемент перегревается и может выйти из строя. Для защиты от этого режима в каждой ветви устанавливают запирающие диоды (рис. 3).

На рис. 4 показана схема комбинированного фотоэлектрического модуля с запирающими и обратными диодами.

Эффективным способом решения проблемы затенения является параллельное подключение шунтирующих диодов ко всем элементам, как это показано на рис. 5. Диоды подключены так, что при работе солнечного элемента они обратно смещены напряжением самого элемента. Поэтому через диод ток не протекает, и батарея функционирует нормально.

Схема работает следующим образом. Предположим, что один из элементов затеняется. При этом диод оказывается прямо смещенным и через него в нагрузку протекает ток в обход неисправного элемента. Конечно, выходное напряжение всей цепочки уменьшится на 0,5 В, но устранится источник саморазрушающей силы для затененного фотоэлемента.

Дополнительное преимущество такой схемы состоит в том, что батарея продолжает нормально функционировать. Без шунтирующих диодов она бы полностью вышла из строя.

На практике нецелесообразно шунтировать каждый элемент батареи. Необходимо руководствоваться соображениями экономии и использовать шунтирующие диоды, исходя из разумного компромисса между надежностью и стоимостью.

Как правило, один диод используют для защиты 1/4 батареи. Таким образом, на всю батарею требуется всего 4 диода. В этом случае эффект затенения будет приводить к 25%–ному (вполне допустимому) снижению выходной мощности.

3. Моделирование солнечной батареи

Электрическая схема (рис. 6), получившая название модель одного диода, отображает элемент солнечной батареи. Данная модель состоит из генератора тока, параллельно которому подключены диод и шунтирующий резистор R_sh (параллельное сопротивление). Помимо них к одному из выводов генератора тока подключено последовательное сопротивление R_s (сериесный резистор).

Элементы схемы замещения (рис. 6) обозначены следующим образом:

• I_ph – фотогенерируемый ток [A],
• I_d – диодный ток [A],
• U_d – диодное напряжение [В],
• I – выходной ток [A],
• U – напряжение на клемах [В],
• I_sh – шунтирующий ток [A],
• R_sh – параллельное сопротивление [Ом],
• R_s – последовательное сопротивление [A].

Классическая модель полупроводникового фотоэлемента состоит из соединенных параллельно источника фототока и шунтирующего диода. Моделирование солнечной панели производится с использованием элементов программы MATLAB/Simulink, которая представлена на рис. 7.

На основе данной модели были выполнены расчеты вольтамперных характеристик солнечной батареи типа для условий различной освещенности, при температуре окружающей среды 25 градусов Цельсия.

На рис. 8 представлены расчетные характеристики тока и мощности солнечной панели для уровня освещенности солнечного элемента Е = 1000 Вт/м²(при стандартных условиях). Из рисунка видно, что наибольшая эффективность солнечной панели возникает при нагрузке соответствующей фиксированному положению рабочей точки максимальной мощности.

Затенение моделировалось при снижении уровня инсоляции. В затененном состоянии модуль также преобразовывает энергию и может отдавать ее в общую цепь, но вольтамперная характеристика солнечного модуля (рис.9) не позволяет использовать его с максимальным КПД, поскольку рабочая точка затененного элемента находится в районе нулевой мощности и вся преобразованная энергия рассеивается в модуле.

Выводы

В работе рассмотрена проблема затенения фотоэлементов и его влияние на работу СЭС, описаны меры предотвращения не эффективной работы СЭС и повышения ее эффективности при условиях различной освещенности. Так же рассматривается модель солнечной панели в среде Matlab/Simulink, на основании которой были выполнены расчеты модельных вольтамперных характеристик солнечной батареи для условий различной освещенности.

Список источников

1. Фролкова Н. О. Компьютерное моделирование вольтамперных характеристик солнечных батарей / И. В. Абраменков, Н. О. Фролкова // Тезисы докладов XIV международной научно–технической конференции студентов и аспирантов. – 2008. – С. 381–383.
2. Шарифов  Б. Н., Трегулов Т. Р. Моделирование солнечной панели в программе Matlab/Simulink. – 2015.
3. Лунин Л. С., Пащенко  А. С. Моделирование и исследование фотоэлектрических преобразователей. – 2010.
4. Цигельман И. Е. Электроснабжение гражданских зданий и коммунальных предприятий М.1977.
5. Дьяков В. И. Типовые расчеты по электрооборудованию. – М.:Высшая школа, – 1976.
6. Cole D. C. Extracting Energy and Heat from the Vacuum, Phys. Rev. E 48, 1562 (1993).
7. Forward R. L. Extracting Electrical Energy from the Vacuum by Cohesion of Charged Foliated Conductors, Phys. Rev. B 30, 1700 (1984).