Размещено на http://www.allbest.ru/

Ўзбекистон Республикаси

Олий ва Ўрта махсус таълИм вазирлиги

АБУ РАЙХОН БЕРУНИЙ номидаги

ТОШКЕНТ ДАВЛАТ ТЕХНИКА УНИВЕРСИТЕТИ

Факультет: ЭНЕРГЕТИКА

Кафедра: «ГИДРАВЛИКА ВА ГИДРОЭНЕРГЕТИКА»

?ўлёзма ?у?у?ида

Дипломная работа

«Разработка солнечной фотоэлектрической установки мощностью 1 кВт»

5520300 - «Гидроэнергетика»

Битирув Малакавий Иши

Кафедра мудири: проф. Мухаммадиев М.М.

Ра?бар: т.ф.д. Клычев Ш.И

Тошкент - 2014

Содержание

Введение

1. Состояние проблемы

1.1 Солнечные фотоэлектрические установки малой мощности

1.2 Методы проектирования СФЭУ

1.3 Задачи разработки, исходные данные на проектирование

2. Разработка солнечной фотоэлектрической установки

2.1 Расчет параметров СФЭУ

2.2 Расчет инвертора

2.3 Расчет аккумуляторных батарей

2.4 Разработка конструкции

3. Рекомендации к применению

3.1 Экономические характеристики

3.2 Экологические аспекты применения СФЭУ

3.3 Рекомендации к применению

Заключение

Литература

Введение

Задачей работы является разработка солнечной фотоэлектрической установки мощностью 1 кВт, поэтому далее проводим обзор по тематике работы.

Ежегодное количество энергии, полученной от Солнца, меняется в зависимости от географического положения на земном шаре. Самые солнечные места на Земле ежегодно получают до 2500 кВт*ч/кв.м горизонтальной поверхности, однако реально в нашем регионе на 1 кв.м. поступает примерно 1000кВтч.

Самая большая проблема - уловить солнечные лучи таким образом, чтобы их энергию можно было использовать для работы электрооборудования, обогрева зданий или освещения ваших домов по вечерам.

Превращение солнечного излучения в энергию, необходимую для этих целей, долгое время стоило дорого. Но, благодаря устойчивому увеличению потребления энергии во всем мире и ограниченному количеству ископаемого топлива, ситуация может измениться. Ученые и инженеры разрабатывают новые конструкции солнечных элементов, и цена на них постоянно падает. Каждый раз, когда производство солнечных элементов удваивается, цена на них снижается на 20%.

В настоящее время наиболее эффективно преобразовывать солнечную энергию в электрическую в солнечных элементах. Солнечные элементы (солнечные батареи) - устройства, которые превращают солнечную энергию прямо в электрическую. Солнечные элементы производились еще в прошлом веке, хотя тогда их эффективность была не более 1-2%. Исследования ученых в 20-х - 40-х годах и особенно космические программы в 50-е годы 20 века сыграли важную роль в развитии тех систем солнечных элементов, которые мы используем сегодня. Эффективность стандартной системы солнечных элементов сегодня составляет 10-15%. Основной материал, из которого делают солнечные элементы - кремний. Кремний - второй после кислорода химический элемент по количеству запасов на Земле. Его можно получать из обычного кварцевого песка

Изготавливают солнечные элементы в основном из кристаллического кремния (75%), аморфного кремния (20%), и других тонкопленочных структур (5%). В серийном производстве достигнут КПД монокристаллических солнечных элементов -- 12-18%, а у лабораторных образцов -- 24%. Получены солнечные элементы на основе арсенида галлия с КПД 32,6%. Теоретически доказано, что предельный КПД солнечных элементов может составлять до 85,44%. Сегодня уже, например, ведутся работы по созданию фотоэлементов на основе сплавов, включающего индий, галлий и азот. Индий-галиево-нитридные фотоэлементы будут чувствительны к излучению всего солнечного спектра -- от близкого к инфракрасному и вплоть до ультрафиолета, что позволит перешагнуть 50%-ный барьер эффективности /1/.

Одним из их основных преимуществ ФЭУ является максимально модульная организация: не представляет сложности объединить любое их количество. Поэтому чаще всего ими выстилают крыши домов, как жилых, так и принадлежащих организациям. Как правило, образуются системы мощностью 2-5 кВт, достаточные, чтобы обеспечить живущим в доме примерно половину необходимого электричества; остальное приходится получать от сети. Стоимость вырабатываемой ими энергии пока в несколько раз выше (ограничивает именно стоимость чистого кремния, который сейчас получают по старой, неэффективной и опасной хлорсилановой технологии), но фотоэлементы продолжают совершенствоваться и удешевляться. Ряд правительств финансирует программы, предоставляющие поддержку людям и организациям, которые заинтересуются ФЭУ.

Как видно в основном существующие проекты по СФЭУ предусматривают, что они будут не только автономными, но и связаны с централизованной электрической сетью. Указанное определяет актуальность дипломной работы.

1. Состояние проблемы

1.1 Солнечные фотоэлектрические установки

Фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) и установки на их основе предназначены для преобразования солнечной энергии в электрическую.

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Использовать энергию фотоэлектрических преобразователей можно также как и энергию других источников питания, с той разницей, что солнечные элементы не боятся короткого замыкания. Каждый из них предназначен для поддержания определенной силы тока при заданном напряжении. Но в отличие от других источников тока характеристики солнечного элемента зависят от количества падающего на его поверхность света.

Фотоэлектрический преобразователь является основным элементом солнечных батарей. Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации. Простейшей батареей является цепочка из последовательно включенных фотоэлектрических преобразователей. Можно также соединить параллельно цепочки, получив так называемое последовательно-параллельное соединение. После того как фотоэлектрические преобразователи подобраны, их необходимо спаять. Серийные элементы снабжены токосъемными сетками для припайки к ним проводников. Батарея солнечная предназначена для обеспечения автономного электропитания жилых домов и бытовой электроаппаратуры. При наземном использовании они обычно используются для зарядки аккумуляторных батарей (АКБ) с номинальным напряжением 12 В. В этом случае, как правило, 36 фотоэлектрических преобразователей соединяются последовательно и герметизируются посредством ламинации на стекле, текстолите, алюминии. Элементы при этом находятся между двумя слоями герметизирующей пленки, без воздушного зазора. Технология вакуумной ламинации позволяет выполнить это требование. Благодаря накоплению электроэнергии посредством зарядки аккумуляторных батарей осуществляет электропитание потребителей как в светлое, так и в тёмное время суток. Возможно увеличение мощности путём параллельного подключения дополнительных модулей. Все фотоэлектрические системы (ФЭС) можно разделить на два типа: автономные и соединенные с электрической сетью. Станции второго типа отдают излишки энергии в сеть, которая служит резервом в случае возникновения внутреннего дефицита энергии. Автономная система в общем случае состоит из набора солнечных модулей, размещенных на опорной конструкции или на крыше, аккумуляторной батареи (АКБ), контроллера разряда - заряда аккумулятора, соединительных кабелей. Если потребителю необходимо иметь переменное напряжение, то к этому комплекту добавляется инвертор-преобразователь постоянного напряжения в переменное. Под расчетом ФЭС понимается определение номинальной мощности модулей, их количества, схемы соединения; выбор типа, условий эксплуатации и емкости АКБ; мощностей инвертора и контроллера заряда-разряда; определение параметров соединительных кабелей. Прежде всего надо определить суммарную мощность всех потребителей, подключаемых одновременно. Мощность каждого из них измеряется в ваттах и указана в паспортах изделий. На этом этапе уже можно выбрать мощность инвертора, которая должна быть не менее, чем в 1,25 раза больше расчетной. Номинальный ряд инверторов 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 Вт. Для мощных станций (более 1кВт) напряжение станции выбирается не менее 48 В, т.к. на больших мощностях инверторы лучше работают с более высоких исходных напряжений. Следующий этап - это определение емкости АКБ. Емкость АКБ выбирается из стандартного ряда емкостей с округлением в сторону, большую расчетной /2/. А расчетная емкость получается простым делением суммарной мощности потребителей на произведение напряжения АКБ на значение глубина разряда аккумулятора в долях. Например, если суммарная мощность потребителей 1000 Втч в сутки, а допустимая глубина разряда АКБ 12 В - 50 %, то расчетная емкость составит: 1000/(12*0,5)=167 Ач При расчете емкости АКБ в полностью автономном режиме необходимо принимать во внимание и наличие в природе пасмурных дней в течении которых аккумулятор должен обеспечивать работу потребителей. Последний этап -это определение суммарной мощности и количества солнечных модулей. Для расчета потребуется значение солнечной радиации, которое берется в период работы станции, когда солнечная радиация минимальна. В случае круглогодичного использования - это декабрь. Модуль мощностью Рw в течении выбранного периода выработает следующее количество энергии :

W = k Pw E / 1000 (1.1)

где Е - значение инсоляции за выбранный период, k- коэффициент равный 0,5 летом и 0,7 в зимний период.

Коэффициент k делает поправку на потерю мощности солнечных элементов при нагреве на солнце, а также учитывает наклонное падение лучей на поверхность модулей в течении дня. Разница в его значении зимой и летом обусловлена меньшим нагревом элементов в зимний период. Исходя из суммарной мощности потребляемой энергии и приведенной выше формулы - легко рассчитать суммарную мощность модулей. А зная ее, простым делением ее на мощность одного модуля, получим количество модулей. При создании ФЭС настоятельно рекомендуется максимально снизить мощность потребителей. Например, в качестве осветителей использовать (по возможности) только люминесцентные лампы. Такие светильники, при потреблении в 5 раз меньшем, обеспечивают световой поток, эквивалентный световому потоку лампы накаливания. Для небольших ФЭС целесообразно устанавливать ее модули на поворотном кронштейне для оптимального разворота относительно падающих лучей. Это позволит увеличить мощность станции на 20-30 % /2/. Типичная вольт-амперная характеристика ФЭП (или солнечного элемента СЭ) приведена

Фотоэлектрические параметры обычно измерены при стандартных условиях: Энергетическая освещенность--1000 Вт/м2, АМ=1,5, температура 25 °С. Фотоэлектрический преобразователь не имеет защитных покрытий. Защита производится при их сборке в солнечные батареи путем ламинации. Соединяются фотоэлектрические преобразователи путем пайки. В качестве припоя рекомендуется использовать припойные пасты фирмы «Degussa» (Германия).

Рисунок 1.1

Таблица 1.1. Характеристики солнечных модулей

СМ	Рном, Вт	Uxx, В	Iкз, А	Площадь фоточув., м2	Габариты модуля, мм	m, кг
					Длина	Ширина	Толщина
БСР-10	11	20,9	0,72	0,09	360	340	100	2
БСР-20	22	20,8	1,44	0,18	668	336	38	3,8
БСР-30	33	20,7	2,16	0,27	1000	336	38	4,8
БСР-40	44	20,6	2,88	0,36	1328	336	38	5,9
БСР-60	66	20,5	4,32	0,54	1000	668	38	9,8
БСР-80	88	20,4	5,76	0,72	1328	668	38	11,5
БСР-100	110	20,3	7,2	0,9	1665	668	38	16

Примечания: 1. Рабочее напряжение на нагрузке - 16,5 В. 2. Номинальная солнечная облученность фоточувствительной поверхности- 1000 Вт/м². 3. Рабочий интервал температуры окружающей среды - от -60 до +80 °С.

На базе солнечных батарей разаботаны и автономные источники питания (см. табл. 1.7).

Таблица 1.2. Характеристики автономных источников питания (РЗМКП)/5/.

Тип АИП	Назначение	Выходное напряжение, В	Вых. мощ., Вт	Режим работы
АИП 60-12/24	Питание аппаратуры радиорелейных станций для газо-и нефтепроводов	Постоянное,12/24	2,4	Непрерывный
СЭНВУ100	Использование в системах водоснабжения, электропитание маломощных бытовых электроприборов, подзарядка автомобильных аккумуляторов.	Постоянное, 12	100	Определяется режимом энергопотребления
АИП600-12	Питание аппаратуры радиорелейных станций для газо- и нефтепроводов	Тоже	60	Непрерывный
АИП2400-24	Питание аппаратуры радиорелейных станций для газо- и нефтепроводов	Постоянное, 24	200
АИП12000-24	Катодная защита трубопроводов	Тоже	3000
АИП2000-220П	Электроснабжение жилого дома	АС 220, 50 Гц	до 2 кВт	Произвольный с ограничением суточного потребления до 8 кВт ч

1.2 Методы проектирования СФЭУ

Мощность солнечного излучения зависит от широты местности, времени года и суток. Кроме того, мощность солнечного излучения, практически достигающего поверхности Земли (т.е. за вычетом потерь в атмосфере), зависит также и от состояния атмосферы (наличия облаков, тумана, пыли и т. п.). Так как состояние атмосферы зависит от многих случайных факторов, то суточные и годовые графики поступления солнечной энергии имеют сложный характер. Графики их изменения при этом можно представить двумя величинами:

- детерминированной, функционально связанной с временем суток, года и широтой местности;

- случайной, зависящей от состояния атмосферы. Математическое выражение мощности при этом имеет вид:

, (1.2)

где: S_г - плотность мощности солнечного излучения, достигающего горизонтальной поверхности Земли Вт/м2;

S_г(t,T,f) - функция плотности солнечного излучения на горизонтальную поверхность от времени суток , времени года , широты местности ;

S(x) - потери мощности солнечного излучения в атмосфере, Вт;

F - горизонтальная проекция поверхности Земли, над которой измеряется солнечное излучение, м²

S_кг= S_г(t,T,f) называется в соответствии со своей сущностью космическим солнечным излучением / 18 /.

Введем понятие коэффициента прозрачности:

, (1.3.)

С учетом (2.1.), получаем:

(1.4.)

где: - плотность потерь мощности солнечного излучения в атмосфере, Вт/м²

Теоретически коэффициент прозрачности может изменятся от 1 (потери в атмосфере равны нулю) до 0 (солнечное излучение полностью теряется в атмосфере). Практически k_пр находится в пределах 0-0,8 .Это обусловлено тем, что даже в совершенно ясную погоду происходит поглощение и отражение солнечного излучения молекулами воздуха.

Введение коэффициента прозрачности позволяетзаписатьв следующем виде:

, (1.5.)

Функция космического солнечного излучения в силу своей строгой детерменированности хорошо изучена и затабулирована /37/. На рис. 1.1.1 приведен график функции Sг(T) - зависимость плотности мощности космического солнечного излучения от времени года для широты Ростовской области.

Здесь же показан график суточной энергии космического солнечного излучения, построенный по данным /18/.

Отметим, что мощность солнечного излучения, падающего на единичную площадку сориентированную каким-либо образом, зависит от ориентации этой площадки. Для ориентации единичной площадки введем следующие параметры

h - угол высоты Солнца над горизонтом;

в - угол наклона площадки над горизонтом;

г - азимутальный угол, т.е. угол отклонения проекции нормали к площадке от направления на солнечный полдень.

Рис. 1.2. Средняя мощность солнечного излучения на горизонтальную площадку

Согласно рис. наибольшая плотность мощности космического солнечного излучения будет при совпадении нормали к площадке и направления на Солнце. Так как положение Солнца относительно Земли непрерывно изменяется в течение года и суток, то для получения максимально возможной плотности мощности солнечного излучения углы b и g должны меняться соответствующим образом, т.е. необходимо непрерывное слежение за Солнцем.

Z_М (по нормали места)

n c

h_n h_C

Y_М (на Восток)

A_n - A_C

X_M (на Юг)

Рис.1.3 Углы ориентации ПО и солнечных лучей.

Однако, как показали многочисленные работы /18,24,27 /, при этом сильно увеличивается стоимость солнечной установки, превышая стоимость прибавки мощности от слежения. В этой связи, для маломощных солнечных установок наиболее эффективными являются фиксированные солнечные приемники (коллекторы) /18,27/.

Следует отметить, что ориентация фиксированного солнечного коллектора не очевидна. Это объясняется следующими причинами:

- плотность мощности солнечного излучения зависит от прозрачности атмосферы фотоэлектрический аккумуляторный батарея

- график потребления мощности может быть сдвинут в течении суток.

На рис. приведен пример плотности мощности солнечного излучения, реально падающего на солнечный коллектор. Здесь предполагается, что в утренние часы нет облачности, а в послеобеденные часы появляется облачность. Если такие условия являются статистически устойчивыми, то очевидно, что целесообразно ориентировать солнечный коллектор не строго на юг, а на юго-восток, причем более точное его положение должно определяться специальными оптимизационными расчетами.

Таким образом, для ориентации солнечных коллекторов необходимы статистические данные о прозрачности атмосферы или о реальных суточных графиках поступающих через атмосферу потоков солнечной энергии.

За солнечным излучением следят метеорологические станции в рамках государственных программ метеорологии, поэтому имеется достаточно статистических данных о графиках поступления солнечной энергии.

Проанализируем, как можно использовать эти статистические данные для создания солнечных энергоустановок.

Как уже отмечалось, для солнечных энергоустановок малой мощности наиболее эффективным является фиксированный солнечный коллектор, причем его ориентация определяется статистическим графиком солнечного излучения.

Солнечное излучение зависит от времени суток и года, и прозрачности атмосферы, поэтому для ориентации солнечного коллектора необходимо иметь соответствующие среднестатистические данные.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.4. Пример распределения солнечного излучения в течение суток

В таблице 1.1. приведены данные о статистическом распределении плотности солнечного излучения, которые могут быть использованы для определения положения коллектора.

По данным таблицы 1. определяется сумма получаемой солнечной энергии за любой период года.

Таким образом проведенный анализ показал, что солнечное излучение обладает большой энергией и существует достаточно статистических данных и математический аппарат для проектирования солнечных энергоустановок.

Таблицы 1.3 Удельная мощность солнечного излучения на горизонтальную поверхность

Часы суток	Мощность солнечного излучения, Вт/м2
	Зима	Весна	Лето	Осень
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19	0 0 3,9 16,9 31,0 42,6 54,3 58,2 46,5 31,0 15,5 3,5 0 0 0	15,5 50,4 112,4 190,0 263,6 314,0 337,3 325,6 279,1 232,6 174,5 96,9 42,6 11,6 0	38,8 124,1 228,7 337,3 422,6 492,3 500,1 507,8 461,3 383,8 298,5 201,6 108,5 31,0 3,9	0 11,6 46,5 100,8 155,1 193,8 221,0 217,1 182,2 155,1 100,8 42,6 7,8 0 0

1.3 Задачи разработки, исходные данные на проектирование

В целом проведенный анализ по солнечным фотоэлектрическим преобразователям показывает следующее:

1. Имеется два основных типа солнечных фотоэлектрических источников питания, первые автономные и вторые связанные с централизованной системой электроснабжения. Первый тип СФЭУ применяются в основном для потребителей не требующих бесперебойного снабжения (дачники, геологи или существенно маломощные потребители, до 5-10 Вт), автономные источники с бесперебойным снабжением применяются единично для питания отдаленных релейных станций, однако для них экономические показатели не главные.

2. на рынке имеется достаточно большое число предложений по СЭ и солнечным панелям, однако готовых проектов СФЭУ, как автономных источников энергопитания (АИП) для массового потребителя по приемлемым ценам не имеется. Это обусловлено тем, что обеспечение бесперебойного снабжения является еще не решенной задачей.

3. Проблемы создания АИП связаны не только с проблемами аккумулирования энергии для потребления в ночное время, но вопросы их эффективного использования требуют рассмотрения задач оптимизации нагрузок - создание специальных приборов для эффективной работы со СФЭУ - новые типы маломощных люминесцентных ламп, телевизоров, а также создание приборов и устройств, работающих на постоянном токе и т.д.

Исходные данные на проектирование СФЭУ

1. Район эксплуатации - Регион Центральной Азии.

2. Географические координаты - с.ш. 41⁰

3. Высота над уровнем моря - 700м.

4. Мощность установки - 1кВт

5. Режим нагрузки - см. рис.1.

2. Разработка солнечной фотоэлектрической установки

2.1 Расчет параметров СФЭУ

Все фотоэлектрические системы (ФЭС) разделяют на два типа: автономные и соединенные с электрической сетью. Станции второго типа отдают излишки энергии в сеть, которая служит резервом в случае возникновения внутреннего дефицита энергии.

Принципиальные схемы СФЭУ (см. выше) в первом приближении могут иметь вид (см. рис.2.1,а,б).

Рис.2.1. Принципиальная схема и состав СФЭУ:

1- солнечные панели; 2- контроллер; 3 - аккумуляторная батарея; 4 - нагрузка. СМ - солнечные модули; АКБ - аккумуляторные батареи.

Параметры солнечной энергии

1. Плотность падающего солнечного излучения - Ес;

2. Расчетное изменение плотности солнечного излучения в течение дня - f_c (,,, к);

3. Зависимость поступления солнечного излучения от метеофакторов - f_cm;

4. Угол падения солнечных лучей на приемно-концентрирующий элемент солнечной установки (для высокотемпературных солнечных установок это угол между оптической осью и солнечными лучами, для низкотемпературных солнечных установок это угол между нормалью к приемной поверхности и направлением солнечных лучей) - i;

5. Расчетное число часов солнечного сияния в день - _С.

Показатель Ес или плотность солнечного излучения Ес включает прямую и диффузную составляющие, которые, в общем, зависят от различных факторов - ясности неба и характеристик окружающих зданий и сооружений.

Показатель 2 или f_c (,,.к) характеризует изменение плотности солнечного излучения в течение дня и года при ясном небе. И она зависит от широты места - , времени дня - , времени года, или склонения - и коэффициента поглощения солнечного излучения в атмосфере - к. Т.е. f_c (,,, к) включает не только известные параметры, но и случайную составляющую, которая входит в коэффициент поглощения к (влияние на к прозрачности атмосферы и в общем метеоусловий). Однако при этом зависимости Ес от времени существенно усложняются, поэтому желательно введение отдельного показателя f_cm, характеризующего метеофакторы, а в показателе f_c (,,, к) принимать для к его значение, характерное для данного района.

Показатель f_cm характеризующее изменение Ес от метеофакторов - облачность, пыль, является случайной величиной относительной некоторой плотности солнечного излучения в данном районе. За эту базовую величину можно брать либо солнечную постоянную у Земли, либо какое-то характерное значение падающего солнечного излучения Ес^"в данном районе, например расчетную солнечную радиацию в полдень для данного дня, месяца, сезона или года, или

Ес = Ес" * f_c* f_cm (2.1)

где Ес" - расчетная плотность солнечного излучения в полдень. В общем, в первом приближении, для ясного дня зависимость для Ес имеет вид

Ес" = Е₀ exp(- k*r₀/sin h) (2.2)

где Е₀ - солнечная постоянная у поверхности Земли (1335Вт/м²), r₀ -"толщина" атмосферы, h - Высота Солнца. Для полудня

Ес" = Е₀ exp(- k*r₀/sin h₀) (2.3)

где h₀ - Высота Солнца в полдень, равная

h₀ = 90 - + (2.4)

В зависимости f_cm за базовую плотность солнечного излучения можно принимать Ес", однако в принципе это может быть любая другая характерная величина плотности солнечного излучения, например среднемесячная и т.д. Функция f_cm, как мы определили выше случайная функция, изменяющаяся в данном случае от 0 до 1 ( но, может быть и больше 1, если за базовую величину берется средняя солнечная радиация за некоторый интервал времени).

Для солнечных фотоэлектрических установок влияние угла падения на плотность падающего солнечного потока, пропорционально cosi, однако оно характеризует установку и должно учитываться в его характеристиках, или окончательно выражение (2.1) примет вид

Ес = Ес"* f_c* f_cm (2.5)

Можно отметить, что с изменением угла падения изменяется и коэффициент отражения солнечных лучей от фотоэлемента и от поверхности защитного стекла солнечной батареи (формулы Френеля), что, в общем, для углов i больших 37⁰ также необходимо учитывать.

Число часов солнечного сияния от полудня можно определить из формулы // при h = 0.

h = arcsin(coscos(_З)cos + sinsin) =0 (2.6)

При этом _С = 2.

1. Расчет солнечной радиации.

Приход солнечной радиации - см. табл.2.1 и рис.2.2.

Рис.2.2. Варианты нагрузки.

2.2 Расчет прихода солнечной радиации

Таблица 2.1. Энергетическая освещенность солнечной радиацией (кВт/м²) при ясном небе.

Каракалпакская АССР	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
1. Каракалпакия
6 30 S			0,32	0,50	0,64	0,66	0,61	0,55	0,45	0,30
S'			0,03	0,11	0,22	0,24	0,20	0,14	0,07	0,02
О			0,04	0,07	0,08	0,09	0,08	0,07	0,05	0,03
C1			0,07	0,18	0,30	0,33	0,28	0,21	0,12	0,05
9 30 S	0,72	0,80	0,85	0,86	0,88	0,86	0,85	0,85	0,86	0,85	0,80	0,72
S'	0,18	0,30	0,46	0,58	0,69	0,70	0,65	0,61	0,52	0,41	0,28	0,19
О	0,08	0,09	0,11	0,13	0,12	0,12	0,13	0,12	0,11	0,09	0,08	0,06
C1	0,26	0,39	0,57	0,71	0,81	0,82	0,78	0,73	0,63	0,50	0,36	0,25
12 30 S	0,85	0,90	0,92	0,90	0,93	0,89	0,90	0,89	0,90	0,90	0,86	0,84
S'	0,35	0,48	0,64	0,75	0,82	0,83	0,82	0,75	0,62	0,54	0,38	0,31
0	0,10	0,12	0,13	0,14	0,13	0,13	0,13	0,13	0,11	0,09	0,08	0,08
C1	0,45	0,60	0,77	0,89	0,95	0,96	0,95	0.88	0,73	0,63	0,46	0,39
15 30 S	0,56	0,70	0,78	0,79	0,83	0,81	0,80	0,80	0,76	0,69	0,54	0,46
S'	0,09	0,20	0,33	0,43	0,52	0,55	0,54	0,47	0,34	0,21	0,08	0,04
0	0,05	0,08	0,10	0,11	0,10	0,11	0,11	0,10	0,08	0,06	0,04	0,04
C1	0,14	0,28	0,43	0,54	0,62	0,66	0,65	0,57	0,42	0,27	0,12	0,08
18 30 S				0,15	0,35	0,43	0,41	0,25
S'				0,01	0,05	0,08	0,07	0,02
O				0,02	0,03	0,05	0,05	0,04
C1				0,03	0,08	0,13	0,12	0,06

В таблице 2.2 приведены суточные и месячные значения суммарной солнечной радиации, на нормальную к лучам поверхность.

Таблица 2.2 Суммы суммарной солнечной радиации (МДж/м²) при ясном небе.

	За часовой интервал (истинное солнечное время)	За сутки месяц
4--5	5--6	6--7	7-8	8--9	9--10	10--11	11- !2	12-13	13--14	14--15	15--16	16--17	17--18	18--19 19--20
Каракалпакская АССР
1. Каракалпакия
I			0,09	0,51	0,97	1,35	1,58	1,58	1,30	0.92	0,49	0,07			8,86 275
II		0,01	0,41	1,00	1,51	1,89	2,12	2,12	1,87	1,46	0,92	0,33	0,01		13,65 382
III		0,26	0,92	1,53	2,07	2,48	2,73	2,73	2,43	2,02	1,48	0,84	0,26		19,75 612
IV	0,13	0,61	1,25	1,89	2,53	2,99	3,17	3,17	2,99	2,53	1,97	1,30	0,64	0,15	25,32 760
V 0,04	0,46	1,02	1,61	2,22	2,84	3,22	3,42	3,42	3,20	2,84	2,33	1,71	1,05	0,41 0,03	29,82 924
VI 0,12	0,56	1,18	1,79	2,40	2,94	3,32	3,48	3,48	3,30	2,91	2,40	1,79	1,15	0,51 0,10	31,43 943
VI-! 0,08	0,51	1,05	1,71	2,30	2,84	3,22	3,40	3,40	3,19	2,81	2,30	1,69	1,00	0,43 0,08	30,01 930
VIII 0,00	0,26	0,79	1,43	2,04	2,61	2,99	3,17	3,17	2,99	2,58	2,02	1,43	0,79	0,23 0,00	26,50 822
IX	0,03	0,36	0,95	1,58	2,17	2,56	2,71	2,71	2,53	2,15	1,61	1,05	0,43	0,03	20,87 626
X		0,07	0,59	1,15	1,66	2,10	2,30	2,30	2,07	1,64	1,12	0,59	0,08		15,67 486
XI			0,16	0,66	1,15	1,56	1,74	1,74	1,48	1,07	0,61	0,16			10,33 310
XII			0,04	0,43	0,84	1,20	1,43	1,43	1,20	0,82	0,38	0,03			7,80 242
Год															7312
7. Тахиаташ
I			0,13	0,64	1,10	1,51	1,74	1,74	1,46	1,05	0,64	0,11			10,12 314
II		0,03	0,49	1,05	1,58	1,94	2,22	2,22	1,94	1,56	1,07	0,49	0,03		14,62 409
III	0,26	0.97	1,61	2,15	2,56	2,79	2,79	2,48	2,07	1,53	0,87	0,24			20,32 630
IV	0,10	0,64	1,33	1,99	2,61	3,07	3,27	3,27	3,07	2,66	2,04	1,25	0,59	0,12	26,01 780
V 0,02	0,33	0,95	1,69	2,33	2,89	3,27	3,50	3,50	3,25	2,84	2,33	1,69	0,97	0,32 0,02	29,90 927
VI 0,09	0,54	1,10	1,84	2,45	2,96	3,35	3,53	3,53	3,35	2,96	2,43	1,74	1,05	0.46 0,06	31,44 943
VII 0,06	0,46	1,05	1,69	2,36	2,84	3,20	3,40	3,40	3,17	2,79	2,27	1,61	0,95	0,38 0,05	29,68 920
VIII	0,20	0,77	1,43	, 2,10	2,66	3,07	3,22	3,22	3,04	2,63	2,05	1,37	0,72	0,20	26,68 827
IX	0,02	0,38	1,07	1,71	2,25	2,66	2,86	2,86	2,58	2,17	1,66	1,02	0,36	0,02	21,62 649
X		0,09	0,66	1,30	1,79	2,15	2,36	2,36	2,15	1,69	1,15	0,59	0,09		16,38 508
XI			0,16	0,69	1,20	1,61	1,87	1.87	1,53	1,10	0,61	0,16			10,80 324
XII			0,06	0,38	0,97	1,38	1,53	1,53	1,28	0,79	0,41	0,06			8,39 260
Год															7491

Исходя из этих данных определяем реальный приход солнечной радиации за сутки на наклонную поверхность с коэффициентом 0.7. Эти данные приведены в табл.2.2.

Табл.2.3.

Месяц	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Эс, Мдж/м2сут	6,2	9,5	13,8	17,7	20,8	22.2	21	18.5	14.6	10.9	7.2	5.4

Как известно, переменность поступления солнечной энергии, приводит к несогласованности графиков выработки и потребления энергии и требует применения аккумуляторов (АБ). Расчет мощности СФЭУ и емкости АБ для случая постоянных плотности солнечного излучения Е и постоянной мощности нагрузки Р_Н был рассмотрен в /1/. Цель настоящей работы рассмотрение задачи выбора мощности СФЭУ N и емкости АБ при переменных Е и Р_Н.

На практике всегда можно выбрать повторяющиеся времена работы или циклы нагрузки. Не нарушая общности задачи, будем считать, что цикл нагрузки _Ц равен одним суткам. На рис. 2.3 приведена схема нагрузки и мощности СФЭУ во времени.

Рис.2.3 Схема изменения мощности нагрузки Р_Н и мощности СФЭУ N_СФЭУ во времени.

Очевидно, что в течение времени цикла должно выполняться условие равенства поступающей от СФЭУ энергии и затраченной на нагрузке энергии, или

(2.7.)

Здесь выделены следующие основные нагрузки - нагрузки при отсутствии Солнца - от 0 до ₁, ₁ - расчетное время восхода Солнца; и от ₂ до _Ц, ₂ - расчетное время захода Солнца (т.е. нагрузки в эти моменты времени обеспечивается за счет АБ), а также нагрузка во время солнечного сияния _С (_С = ₂ -₁).

Т.к. плотность солнечного излучения Е и соответственно мощность СФЭУ и нагрузка переменны во времени, то (1) решается путем перебора вариантов мощности СФЭУ.

Распишем слагаемые в (1). Мощность СФЭУ равна

N_СФЭУ = N_ФБН*(/_С⁰)(E/E_H) _П * f_ВС= N^С_Н * f_1* f₂* f_ВС (2.8.)

где N_СФЭУ - мощность выдаваемая СФЭУ в нагрузку (включая мощности на зарядку АБ); N_ФБН - номинальная (паспортная) мощность СФЭУ - мощность которую дает СФЭУ при паспортных данных солнечного излучения Е_Н (обычно 1000 Вт/м²) и температуре 25 ⁰С; N^С_Н - мощность выдаваемая СФЭУ в сеть (N^С_Н = N_ФБНП, где _П - кпд передачи мощности СФЭУ от солнечных батарей в сеть, обычно это кпд инвертора). Изменении кпд солнечных батарей (СБ) можно учесть в виде коэффициента f₁, равной

f₁ = /_С⁰ (2.9.)

где - реальное кпд СБ в условиях эксплуатации и _С⁰ - паспортное кпд СБ, обычно зависит от температуры нагрева СБ и (3) можно представить в виде

f₁ =(1- 0.05*t)/ (1- 0.05*t_H) (2.10.)

где t, t_H - температуры воздуха, текущая t и номинальная t_Н, при которой измеряют кпд фотоэлемента, обычно 25⁰С.

Расчетное изменение солнечного излучения во времени учитывается коэффициентом f₂, которая в первом приближении равна

f₂ = E/Е_Н = (Е₀/Е)* exp(- k*r₀/sin h) (2.11.)

где Е₀ - солнечная постоянная у поверхности Земли (1335 Вт/м²); k - коэффициент пропускания атмосферы; Е - плотность солнечного излучения в полдень на широте расположения СФЭУ - ; r₀ -"толщина" атмосферы; h - высота Солнца.

Примерное значение k и r₀ можно определить из (5) следующим образом, для h = 90 ( в полдень) и = 0 (экватор), считаем, что в полдень Е = Е = 1000Вт/м² или E/Е_Н =1 тогда из (5) получаем 1000/1335 = exp(- k*r₀) или k*r₀ = - ln (1000/1335) = 0.28893

Число часов солнечного сияния _С определяется из формулы для высоты Солнца h, при h=0 (восход или заход солнца)

_С = 2*arccos (-tg* tg)/_З (2.12.)

где - широта места, - склонение Солнца_{, З}- угловая скорость вращения Земли (_З = 15 град/час), - время в час, от полудня.

Программно выражение для _С на Бейсике может иметь вид

cw = -td * tf: sw = SQR(1 - cw ^ 2)

IF cw = 0 THEN _С = 12: GOTO mt ELSE

IF cw > 0 THEN _С = 2*(ATN(sw/cw))/(_З*pi/180): GOTO mt ELSE

IF cw < 0 THEN T0 = 2*(pi - ABS(ATN(sw/cw))) /(_З*pi/180)

График мощности нагрузки зададим следующим образом

для интервала _{0 1} P₁ = к_Р1*P_H

для интервала _{1 2} P₂ = к_Р2*P_H

для интервала _{2 Ц} P₃ = к_Р3*P_H

где к_Р - коэффициенты нагрузки в различные моменты времени. Отметим, что к_Р может в данном подходе иметь самый различный вид.

Стоимость СФЭУ очевидно равна

С^С = N^С_Н С_W^C (2.13.)

где С_W^C - удельная стоимость мощности СФЭУ (дол/кВт).

Как видно, коэффициенты f₁, f₂, f_В обычно меньше 1, то есть реальная мощность будет меньше паспортной и для покрытия нагрузки необходимо будет увеличивать мощность СФЭУ и это будет сказываться на стоимости установленной мощности выдаваемой в нагрузку и соответственно на цене производимой энергии. Можно отметить, что это в принципе, такая ситуация имеет место и для обычных теплоэнергетических установок, когда они работают в меньших, чем номинальные мощности.

Исходными данными в задаче определения необходимой мощности СФЭУ N^С_Н для обеспечения заданных мощностей нагрузок являются:

1. Мощность нагрузки Р_Н, и её изменение во времени;

2. Времена в цикле, в течение которых необходимо обеспечивать требуемые мощности нагрузки - _1…n.

Схема решения задачи:

1. Задаем кривую мощности нагрузки во времени - Р_i;

2. Задаем режим нагрузки, или времена - _1…n;

3. Задаем время цикла - _Ц.

Задаем параметры СФЭУ:

1. Расчетные параметры солнечной радиации - Е();

2. Число часов солнечного сияния - _С;

3. Кпд СФЭУ - (t);

4. Рабочие температуры - t, ⁰С;

5. Функция, характеризующая случайность поступления солнечной радиации - f_BC.

Из этих данных определяем значения f₁ и f₂ и далее из (1) для заданных исходных данных, путем перебора определяется номинальная мощность СФЭУ - N^С_Н. На основе разработанного подхода была создана программа на Бейсике. Программа позволяет рассматривать различные режимы нагрузок.

На рис. 2 приведены мощности СФЭУ N^С_Н в различные сезоны года (склонение ) для максимальной мощности нагрузки Р_Н = 1 кВт и вариантов нагрузки: вариант 1 - к_Р1 = к_Р2 = к_Р3 = 1(наиболее тяжелый режим нагрузки); вариант 2 - к_Р1 = к_Р3 = 0.2, к_Р2 = 1; вариант 3 - к_Р1 = к_Р3 = 0, к_Р2 = f₂ (наиболее легкий режим нагрузки для СФЭУ, когда мощность нагрузки пропорциональна мощности СФЭУ). Как видно из рис. 2 необходимая "номинальная" мощность СФЭУ N^С_Н может существенно превышать максимальную мощность нагрузки Р_Н, в зависимости от режима нагрузки, причем это отношение зависит и от сезона года. Так если зимой для варианта 1 отношение N^С_Н/Р_Н =6, то в летнее время N^С_Н/Р_Н = 2.3, т.е в одна и та же установка, в зависимости от сезона будет иметь различную мощность, например, летом мощность СФЭУ практически в 3 раза будет больше, чем зимой.

Рис.2.4 Отношение "номинальной" мощности СФЭУ N^С_Н к максимальной мощности нагрузки Р_Н.

На рис. приведены энергии, которые необходимо запасать в АБ в долях от общих затрат энергии на нагрузке в зависимости от вариантов нагрузки. На основе этих данных могут быть определены емкость АБ и их количество, или, учитывая, что, например, АБ допускает разрядку только на 1/3, то емкость батарей Q_ah в ач будет равна

Q_ah = 3*Q_АБ*1000/U (2.14.)

где Q_АБ -запасаемая в АБ энергия в кВтч , 1000 - коэффициент перевода кВт в Вт и U - напряжение на выходе одной АБ, обычно 12В.

Далее можно найти количество АБ n для СФЭУ

n = Q^C_ah/Q_АБ1 (2.15.)

где Q_АБ1 - емкость одной АБ в ач.

и их стоимости

С^АБ = n*C₁^АБ (2.16.)

где C₁^АБ - стоимость одной АБ емкостью Q_АБ1

Рис.2.5 Энергия, которую необходимо запасать в АБ Q_АБ в долях от общих затрат энергии на нагрузке Q_H.

Рис.2.6 Стоимость мощности СФЭУ для потребителя при различных режимах нагрузки в зависимости от сезона года.

На приведены удельные стоимости мощности СФЭУ (при номинальной продажной стоимости мощности 5000дол/кВт), обеспечивающей заданные варианты нагрузок с Р_Н =1 кВт. Как видно, для потребителя стоимость мощности существенно будет зависеть от режимов нагрузки. Так, только для наиболее идеального режима нагрузки (вариант 3) стоимость мощности для потребителя может совпадать с паспортной стоимостью мощности, для других вариантов и режимов нагрузки и сезона года она практически в 2-6 раз будет дороже.

В целом по результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. Разработана методика расчета мощности СФЭУ в зависимости от режима нагрузки и сезона года, учитывающая переменность солнечной радиации, а также определять емкость АБ. На основе данной методики разработана программа расчета мощности СФЭУ.

2. Проведены исследования мощности СФЭУ для основных режимов нагрузки. Показано, что стоимость установленной мощности для потребителя в зависимости от режима нагрузки будет в 2-6 раз превышать продажную стоимость мощности СФЭУ.

2.2 Расчет инвертора

Существует две группы инверторов, которые различаются по стоимости примерно в 1,5 раза:

· Первая группа более дорогих инверторов обеспечивает синусоидальное выходное напряжение.

· Вторая группа обеспечивает выходное напряжение в виде упрощенного сигн...