ДонНТУ   Портал магістрів

Должиков Микита Валерійович

Французький технічний факультет

Кафедра Електропостачання промислових підприємств і міст

Спеціальність Електротехнічні системи електроспоживання

Дослідження альтернативних джерел живлення

Науковий керівник: к. т. н., професор Олександр Васильович Левшов

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Опис структури СЕС
• 3. Моделювання сонячної батареї
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

В останні роки помітно посилилася увага до пошуку і освоєння нетрадиційних джерел енергії, які відрізняються від викопних органічних ресурсів своїми величезними запасами, тобто вони практично невичерпні або періодично поновлюються. Забруднення навколишнього середовища, зростання цін на енергоносії і зменшення їх запасів обґрунтовують використання екологічно чистих і, можливо, більш дешевих джерел енергії. Такими є, так звані, поновлювані джерела енергії (ПДЕ). Одним з найбільш перспективних видів ПДЕ є енергія сонця. Сонце, за людськими мірками, – невичерпне джерело енергії. Існують пристрої, що перетворюють сонячну енергію в електричну. Це сонячні елементи. Для створення сонячних електростанцій (СЕС) сонячні елементи об'єднують в батареї і кріплять на підставі для зручності їх кінцевого монтажу і збільшення міцності. Така конструкція називається сонячною панеллю, або сонячним модулем. У нинішній час виробництво таких сонячних панелей досягло значних масштабів. Щодо доступні сонячні модулі мають коефіцієнт перетворення сонячного світла в електрику 7–18%. Максимальний же коефіцієнт перетворення на сьогоднішній день близько 40%. Але дорожнеча високопродуктивних елементів не дозволяє використовувати їх для створення електростанцій широкого споживання, оскільки це економічно недоцільно.

1. Актуальність теми

Актуальність сонячної енергетики стає дедалі більше, тому що сонячна енергія є екологічно чистою. Інша причина актуальності використання сонячної енергії полягає в її ресурсоємності.

Всього за 9 хвилин Земля отримує більше енергії від Сонця, ніж людство виробляє за весь рік. Ця енергія постачається безкоштовно і не впливає на навколишнє середовище безпосередньо у вашій квартирі.

Під сонячною енергією зазвичай розуміють перетворення сонячного випромінювання в тепло. Сонячна енергія використовується для отримання гарячої води і може підтримувати опалення. Тепло може дуже добре зберігатися і бути доступним протягом декількох днів. Системи з перетворення сонячної енергії використовуються для опалення, а також нагрівають питну воду.

Сонячна енергія є сферою значних інвестицій в умовах зниження запасів нафти і газу. Сонячна енергія сприяє збільшенню світового споживання і зростання цін на викопне паливо.

Теплові насоси використовуються для забезпечення циркуляції енергії в навколишньому середовищі. Холодоагент використовується для виробництва тепла. Ці компоненти прекрасно поєднуються в установці з виробництва сонячної енергії.

Експлуатаційні витрати на сонячну енергетику для систем опалення є низькими, у порівнянні з порівнянними системами без використання сонячної енергії.

2. Опис структури СЕС

Основою сонячної електростанції є фотоелектричний перетворювач. Принцип роботи фотоелектричного перетворювача досить простий і полягає в наступному.

При висвітленні сонячним світлом одиничний кремнієвий фотоелектричний перетворювач генерує електричну напругу величиною близько 0,5 В. Незалежно від типу і схеми включення все (великі і малі) кремнієві сонячні елементи генерують напругу 0,5 В, при відсутності навантаження і номінальному значенні сонячної інсоляції.

Для збільшення вироблення енергії окремі ФЕП збираються разом і утворюють фотоелектричні модулі, які потім з'єднуються в масиви (рис. 1) для збільшення вихідної напруги фотоелементи з'єднують послідовно, а для збільшення потужності – паралельно. Модульна структура ФЕП дозволяє будувати різні фотоелектричні системи в залежності від виробітку енергії для різного застосування. Таким чином, фотоелектричний елемент є складовим елементом фотоелектричних систем.

Послідовні модулі поводяться як енергоспоживачі: вони нагріваються при протіканні струму і можуть вийти з ладу. Для захисту використовуються зворотні діоди (як показано на рис. 2).

При паралельному з'єднання і наявності затінення окремого елемента він замикається і стає навантаженням для інших елементів, в результаті цього затінений елемент перегрівається і може вийти з ладу. Для захисту від цього режиму в кожній гілці встановлюють замикають діоди (рис. 3).

На рис. 4 показана схема комбінованого фотоелектричного модуля з замикаючими та зворотними діодами.

Ефективним способом вирішення проблеми затінення є паралельне підключення шунтуючих діодів до всіх елементів, як це показано на рис. 5. Діоди підключені так, що при роботі сонячного елемента вони назад зміщені напругою самого елемента. Тому через діод струм не протікає, і батарея функціонує нормально.

Схема працює в такий спосіб. Припустимо, що один з елементів затінюється. При цьому діод виявляється прямо зміщеним і через нього в навантаження протікає струм в обхід несправного елемента. Звичайно, вихідна напруга всього ланцюжка зменшиться на 0,5 В, але усунеться джерело саморуйнівній сили для затемненого фотоелемента.

Додаткова перевага такої схеми полягає в тому, що батарея продовжує нормально функціонувати. Без шунтуючих діодів вона б повністю вийшла з ладу.

На практиці недоцільно шунтувати кожен елемент батареї. Необхідно керуватися міркуваннями економії і використовувати шунтуючі діоди, виходячи з розумного компромісу між надійністю і вартістю.

Як правило, один діод використовують для захисту 1/4 батареї. Таким чином, на всю батарею потрібно всього 4 діода. У цьому випадку ефект затінення буде приводити до 25%–ному (цілком допустимому) зниження вихідної потужності.

3. Моделювання сонячної батареї

Електрична схема (рис. 6), що отримала назву модель одного діода, відображає елемент сонячної батареї. Дана модель складається з генератора струму, паралельно з яким підключені діод і шунтирующий резистор R_sh (паралельний опір). Крім них до одного з висновків генератора струму підключено послідовний опір R_s (серієсний резистор).

Елементи схеми заміщення (рис. 6) позначені таким чином:

• I_ph – фотогенеруємий ток [A],
• I_d – діодний ток [A],
• U_d – діодна напруга [В],
• I – вихідний струм [A],
• U – напруга на клемах [В],
• I_sh – шунтувальний ток [A],
• R_sh – паралельне опір [Ом],
• R_s – послідовний опір [A].

Класична модель напівпровідникового фотоелемента складається з з'єднаних паралельно джерел фотоструму і шунтувального діода. Моделювання сонячної панелі проводиться з використанням елементів програми MATLAB / Simulink, яка представлена на рис. 7.

На основі даної моделі були виконані розрахунки вольтамперних характеристик сонячної батареї для умов різної освітленості, при температурі навколишнього середовища 25 градусів Цельсія.

На рис. 8 представлені розрахункові характеристики струму і потужності сонячної панелі для рівня освітленості сонячного елемента Е = 1000 Вт /м² (при стандартних умовах). З рисунка видно, що найбільша ефективність сонячної панелі виникає при навантаженні відповідає фіксованому положенню робочої точки максимальної потужності.

Затінення моделювався при зниженні рівня інсоляції. В затіненому стані модуль також перетворює енергію і може віддавати її в загальну ланцюг, але вольтамперна характеристика сонячного модуля (рис.9) не дозволяє використовувати його з максимальною ККД, оскільки робоча точка затіненого елемента знаходиться в районі нульової потужності і вся перетворена енергія розсіюється в модулі.

Висновки

В роботі розглянута проблема затінення фотоелементів і його вплив на роботу СЕС, описані заходи запобігання неефективною роботи СЕС і підвищення її ефективності за умов різної освітленості. Так само розглядається модель сонячної панелі в середовищі Matlab/Simulink, на підставі якої були виконані розрахунки модельних вольтамперних характеристик сонячної батареї для умов різної освітленості.

Перелік посилань

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).