Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Сучасна енергетика в основному базується на не поновлюваних первинних джерелах енергії. Таке виробництво і споживання енергії крім того, що є одним з основних антропогенних факторів, що негативно впливають на навколишнє середовище, не може гарантувати сталого розвитку світової енергетики на тривалу перспективу. Різні сценарії розвитку людства припускають необхідність широкого освоєння нових поновлюваних джерел енергії (ВДЕ) вже в найближчі десятиліття як з причини неминучого скорочення видобутку та підвищення вартості нафти, газу і вугілля, так і з екологічних причин [1].

Розглядаючи спектр поновлюваних джерел енергії їх можна класифікувати за видами енергії

  1. Механічна енергія (енергія вітру і потоків води)
  2. Теплова і промениста енергія (енергія сонячного випромінювання і тепла Землі)
  3. Хімічна енергія (енергія у біомасі) [2].

1. Актуальність теми

Відновлювана енергетика на сьогоднішній день, є активно розвиваючася галузь електроенергетики. У зв`язку з парниковим ефектом, постійно погіршуючумося екологічним станом у світі, скороченням і недоліком викопних ресурсів. Необхідність в децентралізації систем електропостачання, як на міжнародних, так і на державних рівнях приймається ряд законодавчих і технічних рішень [2].

Делегати Другого комітету 67–ї сесії Генеральної Асамблеї ООН прийняли резолюцію А/67/437/Аdd.9. Сприяння розширенню використання нових та поновлюваних джерел енергії. Відзначається, що в даний час частка нових та поновлюваних джерел енергії в світовому енергетичному балансі невелика в силу високої вартості відповідних технологій і відсутності доступу до них. Так само урядам було рекомендовано створити сприятливі умови для популяризації та використання нових та поновлюваних джерел енергії та більш ефективного енергоспоживання [3].

pic1

Закон України Про електроенергетику в редакції від 27.04.2014, Розділ 1, стаття 5. Державна політика в електроенергетиці базується на принципах, у переліку яких, сприяння розвитку альтернативної енергетики, як екологічно чистої і без паливної підгалузі енергетики шляхом встановлення зеленого тарифу та оплати електростанціям, які виробляють електричну енергію з використанням альтернативних джерел енергії, всієї виробленої ними електричної енергії в повному обсязі у грошовому еквіваленті, без застосування будь–яких видів розрахунків погашення заборгованості по рахунках електроенергії [4].

У теперішній час велика кількість споживачів електричної енергії розташовані далеко від джерел централізованого електропостачання, що вимагає побудови протяжних мереж електропередач, а це в свою чергу збільшує втрати. У зв`язку з розвитком альтернативної енергетики з`явилася можливість доповнити існуючу інфраструктуру децентралізованими системами генерації електрики і тепла, які допоможуть істотно зменшити втрати внаслідок передачі і перетворення електрики [5].

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою дослідження є: розглянути режими роботи автономних систем електропостачання на базі відновлюваних джерел енергії, оцінити можливість і доцільність їх застосування.

Одним з найбільш повсюдно доступних і перспективних ВДЕ є сонячна енергетика, що дозволяє електрифікувати окремі віддалені від електричних мереж об`єкти [6]. Розподіл сонячного випромінювання, можна оцінити з представленого рисунка 2.

pic1

Рисунок 2 — Карта миру з вказаною середньорічною освітлюваністю [7]

Існує два типи перетворення сонячної енергії – в електричну і теплову. У свою чергу, електроустановки бувають двох основних видів

  1. сонячна енергія нагріває воду або інше робоче тіло до пароподібного стану, пара спрямовується у турбіну, що обертає електрогенератор;
  2. сонячна енергія перетворюється безпосередньо в електричну за допомогою фотоелементів [8].

В свою чергу всі фотоелементи за принципом своєї дії діляться на два класи. До першого класу відносяться фотоелементи, засновані на зовнішньому фотоефекті, – вакуумні та газонаповнені, до другого – напівпровідникові фотоелементи із замикаючим шаром, інакше так звані вентильними, робота яких заснована на внутрішньому фотоефекті. До останніх відносяться мідно-закісні, селенові, германієві, кремнієві й інші [9].

Широке впровадження сонячної енергетики в космосі і на землі ставить перед проектувальниками проблему оцінки ефективності роботи фотоелектричних систем (ФЕС). Необхідно мати можливість передбачити потужність сонячних батарей (СБ) під дією різноманітних факторів навколишнього середовища, порівняти ефективність використання СБ з різних матеріалів, оцінити поведінку фотоелектричних перетворювачів в різних режимах роботи. Передбачення поведінки і відтворення характеристик СЕ і СБ здійснюється за допомогою моделювання. У порівнянні з експериментом, математичне моделювання надає більш швидкий, гнучкий і дешевий спосіб відпрацювання ФЕС [10].

Так у магістерській роботі представлена вдосконалена математична модель фотоелектричного модуля. Модель виконана в програмному пакеті MATLAB Simulink, основою до роботи, є модель розроблена А.Ю.Федоровим [16].

pic3

Рисунок 3 — Модель фотоелектричного модуля реалізована у програмному пакеті MATLAB Simulink

Реалізована модель дозволяє охопити перелік факторів, що впливають на роботу реальних фотоелектричних модулів. У математичних розрахунках використовуються паспортні дані, такі як напруга холостого ходу, струм короткого замикання, максимальна потужність, напруга і струм в точці максимальної потужності, кількість послідовно і паралельно з`єднаних фотоелектричних елементів. Модель враховує умови рівня сонячного випромінювання, температуру навколишнього середовища і фотоелектричного елемента, а так само особливості фотоелектричного модуля. Повна модель виконує побудову вольт–амперних і потужносних характеристик.

3. Огляд досліджень та розробок

Підвищення енергетичної ефективності установок, що використовують ВДЕ, є досить актуальною проблемою, яка вирішується різними шляхами, що передбачають як поліпшення техніко–економічних характеристик власне енергетичного обладнання, так і оптимізацію його енергетичних балансів і режимів з урахуванням мінливості навантаження і енергії поновлюваного джерела [2].

Дослідження в сфері моделювання фотоелектричних модулів в програмному пакеті MATLAB Simulink наведені в [5], [10-16]. Розглянуто математичні моделі різних конфігурацій і режимів роботи.

У статтях [5], [12-16], представлені математичні моделі реалізовані в програмному пакеті виконані за різними алгоритмами. У сучасному моделюванні, існує кілька основних схем заміщення для математичного опису фотоелектричних модулів. Так в кожній статті наводиться обрана для математичної моделі схема заміщення і відповідна формула вихідного струму за обраним методом.

Необхідно відзначити, що неминучим в роботі фотоелектричного модуля, є затінення, питання моделювання даного процесу розглянуто у [10].

Моделювання впливу тіней довільної форми на характеристики сонячних батарей дає можливість оцінити втрати потужності при різних варіантах затінення. При частковому затіненні одиночного елемента або їх групи відбувається зниження вихідної потужності сонячної батареї внаслідок зменшення надходить в елемент світлової енергії і збільшення внутрішніх втрат енергії в неосвітлений частині елементу. У роботі показана позитивна роль шунтуючих діодів, вони оберігають роботу батареї, коли один з елементів повністю затінений [10].

pic4

Рисунок 4 — Моделювання затінень СБ: 1 — СБ из 18 СЕ с затіненими фотоелементами та шунтуючими діодами, 2 — порівняння ВАХ частково затіненою та не затіненою СБ [10]

Режим спільної роботи сонячних модулів і вітрових турбін, представлений в статті [11]. Ця фотоенергетична установка складається з сонячних модулів, вітрових турбін, акумуляторних батарей, інвертора, контролера і інших пристроїв. При достатку джерел енергії, генеруються потужності, після задоволення попиту навантаження, заряджається батарея, згодом при недостачі енергії, батареї будуть розряджати енергію для покриття потреб навантаження.

Існують мережеві електростанції, що використовують поновлювані енергоресурси, не вимагають пристроїв акумулювання і резервування електроенергії. Потужна електрична система здатна повністю прийняти всю енергію, що виробляється електростанцією. Крім того, енергосистема здатна ефективно впливати на режим станції, що працює синхронно з мережею. Зазначені особливості дещо спрощують і здешевлюють конструкцію мережевих установок поновлювальної енергетики в порівнянні з автономними електростанціями [2].

4. Основні переваги та недоліки фотоелектричних систем

До основних переваг фотоелектричних систем можна віднести, невичерпність енергетичного ресурсу, простоту установки, відсутність рушійних частин, мінімальна потреба у догляді, відсутність шумів і вібрацій. У порівнянні з іншими видами енергетики сонячна енергетика в цілому є одним з найбільш чистих в екологічному відношенні видів енергії.

Проте уникнути повністю шкідливого впливу сонячної енергетики на людину і навколишнє середовище практично не вдається, якщо врахувати весь технологічний ланцюжок від отримання потрібних матеріалів до виробництва електроенергії.

Найбільш характерні в цьому аспекті, є сонячні фотоелектричні установки (СФЕУ), експлуатація яких завдає мінімальної шкоди навколишньому середовищу. У той же час виробництво напівпровідникових матеріалів є досить екологічно та соціально небезпечним. У зв`язку з цим у ряді країн світу (наприклад, в США) існують вельми жорсткі вимоги до виробництва напівпровідників для СФЕУ, а також до зберігання, транспортування та ліквідації шкідливих речовин від виробництва СФЕУ, обмеження контактів персоналу з цими речовинами, розробка планів дії у разі аварійних або позаштатних технологічних ситуацій, а також програми ліквідації відходив виробництва, що відпрацювали свій термін або забракованих СФЕУ [17].

Також до основних недоліків, що обмежує застосування ВДЕ, слід віднести відносно низьку енергетичну щільність і крайню мінливість. Низька питома потужність потоку енергоносія призводить до збільшення масогабаритних показників енергоустановок, а мінливість первинного енергоресурсу, аж до періодів його повної відсутності, викликає необхідність у пристроях акумулювання енергії або резервних енергоджерел. В результаті, вартість виробленої енергії виявляється висока навіть за відсутності паливної складової в сукупній ціні енергії [2].

Висновки

Процес вироблення енергії на поновлюваних джерелах енергії

Рисунок 5 — Процес вироблення енергії на поновлюваних джерелах енергії
(анімація: кількість кадрів:4, кількість циклів:5, об`єм: 154 кБ)

У зв`язку з важкою екологічною обстановкою, що загострюється, парниковим ефектом, забрудненням води і грунту. Необхідний перехід від не відновлюваних копалин первинних джерел енергії до поновлюваних. На сьогоднішній день у світовій практиці відомий ряд регіонів і країн, що вирішують проблему енергозабезпечення шляхом впровадження відновлюваної енергетики. Розвиток технічної та законодавчої бази відновлюваної енергетики та стійкі тенденції зростання вартості паливно–енергетичних ресурсів вже сьогодні визначають техніко–економічні переваги електростанцій, використовують поновлювані енергоресурси. Очевидно, що в перспективі ці переваги будуть збільшуватися, розширюючи області застосування відновлюваної енергетики та збільшуючи її внесок у світовий енергетичний баланс [2].

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2014 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

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. .