ДонНТУ   Портал магистров

Муха Оксана Александровна

Электротехнический факультет

Кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий и городов»

Специальность «Электротехнические системы электропотреления»

Исследование автономных систем электроснабжения на базе возобновляемых 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. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Основные достоинства и недостатки фотоэлектрических систем
• Выводы
• Список источников

Введение

Последние 25–30 лет 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. К числу нетрадиционных источников относят энергию Солнца, ветра, ежегодно возобновляемую органическую массу (биомассу), энергию, концентрируемую океаном в виде морских волн, течений приливов и отливов, нагретых поверхностных слоев, энергию рек. Толчком к применению новых технологий в преобразовании энергии нетрадиционных источников послужили два фактора: энергетический кризис начала 70–х годов и повышение требований к охране окружающей среды. Мировое сообщество стало осознавать, что запасы ископаемых энергоносителей не безграничны. По прогнозам, при замораживании энергопотребления на современном уровне нефть будет исчерпана через 80 лет, природного газа хватит на 150 лет, а каменного угля – на 500 лет [1].

Следует отметить и недостатки новых источников энергии. Прежде всего, это малая плотность потока энергии, что вынуждает предварительно концентрировать энергетические потоки с больших площадей и создавать громоздкие сооружения для их взаимных превращений. Далее, в основе нетрадиционных источников лежат природные явления, интенсивность которых подвержена сильным колебаниям в зависимости от региона, сезона, времени суток. В результате усложняются системы преобразования энергии, повышается их стоимость [2].

1. Актуальность темы

Основная задача электроэнергетической системы (ЭЭС) – производить электроэнергию и доставлять ее потребителям для покрытия их нагрузки. Существующие ЭЭС были сформированы как централизованные системы с особенностями в зависимости от топливо– и энергообеспечения электростанций. Централизация означает, что основное производство электроэнергии осуществляется на больших электростанциях, от которых электроэнергия передается потребителям. Достоинством такой системы является относительно простая координация работы многих больших генерирующих установок, что обеспечивает необходимый хорошо управляемый баланс между генерацией и потреблением и, вследствие этого, стабильность частоты [2].

Сокращение запасов природных топлив ведет к развитию ЭЭС при все большем использовании возобновляемых энергоресурсов, таких как ветровая или солнечная энергия, которые во многих странах составляют большую часть распределенной генерации. Эти изменения в структуре ЭЭС являются результатом действия трех главных требований:

– сокращение эмиссии парниковых газов (Протокол Киото);

– растущее использование возобновляемых энергетических ресурсов – ВЭР (Европейская ВЭР Директива);

– повышение энергетической эффективности (Европейская Директива по использованию комбинированной выработки электроэнергии и тепла (Combined Heat and Power – СНР)).

Развитие распределенной генерации имеет многие преимущества, такие как:

– снижение эмиссии СО2 благодаря повышению энергетической эффективности и сокращению использования угля в качестве топлива для электростанций;

– минимизация потерь в передающей сети;

– частично реализация инвестиций в инфраструктуру;

Традиционная ЭЭС (рис. 1) имеет вертикально интегрированную структуру с централизованным генерированием, распределенным потреблением, ограниченным их взаимодействием и регулирующими требованиями, которые не обеспечивают взаимных выгод для всех сторон этого процесса [3].

Традиционная энергосистема может быть охарактеризована такими особенностями, как:

– большие традиционные электростанции;

– технически оптимизированная схема для обеспечения региональных потребностей в электроэнергии;

– централизованное управление;

– ограниченное межрегиональное взаимодействие;

– старые технологии, известные около 100 лет.

Концепция умной энергосистемы представляет идею будущей ЭЭС. В целом Smart Grid – это энергосистема, в которой передающая и распределительная электрическая сеть используется для двусторонних коммуникаций между электростанциями, потребителями и центрами управления с целью оптимизации процессов электроснабжения и электропотребления для повышения их эффективности (рис. 2). Инфраструктура умной энергосистемы базируется на принципах совместимости, открытых стандартах и реализуется с использованием протоколов Интернет [4].

Концепция умной энергосистемы имеет следующие цели:

– предоставление потребителям возможностей автоматизированного управления использованием электроэнергии и минимизации их затрат на оплату электроэнергии;

– самовосстановление системы в случае аварии;

– использование высококачественных энергетических ресурсов, включая возобновляемые;

– повышение качества электроэнергии и надежности электроснабжения.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Основной целью работы является исследование автономных систем электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии, их режимов работы, оценка работоспособности и возможности их применения на энергорынке.

Солнечная энергия – это лучистая энергия Солнца. Солнце является источником жизни на Земле и источником практически всех видов возобновляемой энергии. Атмосфера Солнца состоит из 71 % водорода, 26,5 % гелия и 2,5 % других газов. Солнце работает как гигантский ядерный реактор, каждую секунду атомы водорода объединяются, образуя атом гелия и энергию излучения при процессе ядерного синтеза. Во время этой реакции чрезвычайно высокая температура и давление Солнца вызывают расщепление атомов водорода и их ядерный синтез. Четыре ядра водорода формируют один атом гелия. Масса атома гелия меньше, чем четырех атомов водорода, и во время ядерного синтеза некоторая материя выделяется в пространство в виде энергии излучения [5].

Энергия с ядра Солнца до поверхности Солнца идет миллионы лет, и всего 8 минут требуется, чтобы преодолеть расстояние до Земли в 150 миллионов километров. Солнечная энергия движется к поверхности Земли со скоростью света. Не солнечное тепло проникает на Землю, а вместо этого свет преобразуется в тепло при поглощении молекулами в атмосфере Земли [6].

Фотоэлектрические модули

Один фотоэлектрический преобразователь генерирует до 2 Вт мощности, чего недостаточно даже для питания карманного калькулятора. Для увеличения выработки энергии большое количество ФЭП собираются вместе и образуют фотоэлектрические модули, которые затем соединяются в огромные массивы (рис. 4). 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 [7].

Последовательные модули ведут себя как энергопотребители: они нагреваются при течении тока и могут выйти из строя. Для защиты используются обратные диоды (как показано на рис. 5).

Для параллельного соединения затененный элемент может питаться энергией от других ФЭП. Для защиты применяются в каждой ветви запирающие диоды (рис. 6).

На рис. 7 показана схема комбинированного фотоэлектрического модуля с запирающими и обратными диодами.

Электрическая схема, получившая название модель одного диода, отображает элемент солнечной батареи. Данная модель состоит из генератора тока, параллельно которому подключены диод и шунтирующий резистор Rsh. Помимо них к одному из выводов генератора тока последовательно подсоединено сопротивление Rs. В результате общая эквивалентная схема модели принимает вид, показанный на рисунке 8.

Iph – фотогенерируемый ток [A],

Id – диодный ток [A],

Ud – диодное напряжение [В],

I – выходной ток [A],

U – напряжение на клемах [В],

Ish – шунтирующий ток [A],

Rsh – параллельное сопротивление [Ом],

Rs – последовательное сопротивление [A].

3. Основные достоинства и недостатки фотоэлектрических систем

Достоинства солнечных электростанций. (Достоинства СЭС)

– Общедоступность и неисчерпаемость источника.

– Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки солнечных электростанций. (Недостатки СЭС)

– Зависимость от погоды и времени суток.

– Как следствие необходимость аккумуляции энергии.

– При промышленном производстве – необходимость дублирования солнечных ЭС маневренными ЭС сопоставимой мощности.

– Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур).

– Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.

– Нагрев атмосферы над электростанцией [8].

Выводы

Возобновляемая энергия – это энергия, производимая природными источниками, которые могут восполняться, такие как энергия ветра, солнечная фотогальваничекая энергия, концентраторная солнечная энергия, энергия воды, энергия океана и геотермальная энергия. Изменение климата наряду с исчерпаемостью природных ископаемых приводит к увеличению использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) с чистой энергией [9].

Многие страны по всему миру применяют свои научные знания и опыт для изучения и развития возобновляемых источников энергии. Благодаря Киотскому протоколу (1997) и растущему осознанию необходимости поддержания окружающей среды ожидается рост производства ВИЭ в ближайшем будущем [10].

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2016 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Лосюк Ю. Нетрадиционные источники энергии / Минск, 2005. – 233 pp.
2. Стычинский З., Воропай Н. Возобновляемые источники энергии/ Магдебург – Иркутск 2010. – 200 с.
3. Styczynski Z. Alternative Energie / Magdeburg, 2006. – 236 с.
4. Фолькер К. Системы возобновляемых источников энергии/ Folliant, 2013. – 430 с.
5. Hau E. Wind Turbines / Munich. – 2008. 886 c.
6. Магомедов А. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии / Махачкала, 1996. – 245с.
7. Chao Zhang, Matthias Meier, Wendi Zhang,.Influence of Interface Textures on Light Management in Thin-Film Silicon Solar Cells With Intermediate Reflector/ – М.: Наука, 2015. – 7 с.
8. Хахалева Л. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии / Ульяновск, . – 2008. 33с.
9. Eduardo F. Camacho, Tariq Samad, Mario Garcia–Sanz. Control for Renewable Energy and Smart Grids / From: The Impact of Control Technology, 2011. – 20 с.
10. Зайцева М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии / Нижний Новгород, 2012. – 8 с.