Разработка солнечной фотоэлектрической установки мощностью 1 кВт

Используемые технологии и материалы позволяют иметь длительный жизненный цикл модулей. Четыре отверстия в металлическом каркасе позволяют просто и надежно фиксировать модуль на опорном устройстве. Каркасный солнечный модуль выполнен в виде панели, заключенной в каркас из анодированного алюминиевого профиля. Панель представляет собой фотоэлектрический генератор, защищённый закалённым стеклом, между слоями герметизирующей пленки размещены солнечные элементы, электрически соединенные между собой металлическими шинами. С тыльной стороны панель защищена от внешних воздействий слоем защитной пленки. К внутренней стороне корпуса модуля прикреплена контактная коробка с диодным блоком, предназначенная для подключения модуля в составе энергосистемы.

Рис.2.8 Общий вид модуля

Рис.2.9. Конструкция модуля.

Влагостойкая соединительная коробка содержит два байпасных диода и контактные клеммы.

Исходя из возможного прихода солнечной энергии на 1м² поверхности батареи и графика нагрузки (см. табл.) определяем ориентировочную площадь СБ - S для января месяца

S = Э1/(Эс*) = 24/((6.2/3.6)*0.12) = 114.3м²

Из этой энергии 1/3 используется в течение дня, остальная часть накапливается в АБ для работы в остальные 16 часов.

Из 2.2. следует, что энергия в АБ составляет Э_АБ

Э_АБ = 24 - 8 = 16кВтч.

При использовании аккумуляторов емкостью 30Ач с напряжением 12 В получаем.

Энергия в одной АБ равна

Э_АБ = 30Ач*12В = 360Втч = 0.36кВтч

Отсюда следует, что число АБ n равно

n = 16/0.36 = 45

2. Расчет инвертора

Расчет (выбор) инвертора производится по мощности нагрузки, или выбираем инвертор мощностью 1кВт.

Из табл. 4, считая, что реальное Ес = 250Вт/м² выбираем модули типа БСР-60, которые при данной Ес имеют мощность 30Вт. Число модулей равно n_M

n_M = 3/ 0.015 = 200, а их габаритная площадь составит 200* 0.67 = 134м²

3 Конструкция установки.

Общая схема СФЭУ приведена на рис.2.

Рис.2.10. Схема СФЭУ: 1- Солнечные батареи, 2,3 - Контроллер; 4 - Аккумуляторные батареи; 5- Инвертор; 6 - нагрузки (постоянные и переменные).

Установка состоит из 5 блоков по 40 модулей (8*5), см. рис.4. Размер модуля 1*0.7м

Габариты блока - (5* 1)*(8*0.7) = 5*5.6м² = 28м².

Наклон плоскости блока к горизонту 35⁰.Блоки монтируются на рамной конструкции (см. рис.) из уголков №4, которая устанавливается на опорах из уголка 5.

Рис 2.11. Компоновка солнечного модуля (вид спереди).

Солнце

= 90 - h +

Солнечная панель Солнечная панель (первый ряд) (второй ряд)

Рис. 2.12. Установка блоков (вид сбоку)

а

В

А

С

Рис.2.13. Конструктивные параметры опорной конструкции.

Вес установки

Вид конструкции блока приведен на рис.4.Общая длина уголков составляет 300м, или общая масса 705кг, а одного модуля 141кг.

6. Расчет фундамента.

Размеры фундамента - h= 0.25м, а = 0.4м, В = 5м.

Схема расчета нагрузок (ветровые и весовые, а также схемы проверки конструкции на прочность приведены на рис.6.

Определяем реакции и силы действующие на опору и фундамент. Так как эта система статически неопределима, то разрезают опору и заменяют её действие реакцией N. Составим теперь уравнения сил на осях X и Y и уравнение моментов относительно точки А.

- F + Nsin a + RxA = 0 (2.17)

- P + Ncos a + RyA = 0 (2.18)

Рис.2.14. Схема расчета конструкции и фундамента на ветровые и весовые нагрузки.

F l_п sin + P l_п - NL₀cos = 0 (2.19)

Из (3) находим реакцию N

N = (F l_п sin + P l_п )/ L₀cos (2.20)

И далее из (1) и (2) определяем реакции RxA и RyA

RxA = F - Nsin (2.21)

RyA = P - Ncos (2.22)

Расчет проводим для следующих исходных данных:

V= 25м/с, = = 45⁰, b=2м, L = 10м, p_СЭ = 10кг/м²

Для этих данных получаем:

N = 4558н

RxA = 1272н

RyA = - 1110н

RxB = RyB = 3998н.

Массу фундамента в точке А определяем по реакции RуA или

m = RyA = 111кг.

Если конструкция стоит на трех опорах, то масса фундамента под каждой опорой будет равна m_o = 111/3 = 37кг.

Масса фундаментов под опорой B будет меньше, но так как она мала для точки А, то выбираем их одинаковыми.

Расчет на прочность анкерных болтов.

Расчет на прочность проводим по максимальной реакции вдоль оси ОХ, это реакция RxB = 3998н.

На срез болт рассчитывают по формуле

(d²/4) [_ср] P = RxB_о

где RxB_о - реакция (сила) действующая на одну опору, или

RxB_о = RxB/3 = 3998/3 = 1332н = 133,2кг

где d - диаметр болта, _ср - допускаемое напряжение на срез, часто принимают

_ср = 0.25*_Т , где _Т - предел текучести. Выбираем _Т = 30кг/мм² Откуда получаем d =4.75мм, или принимаем d = 5мм.

3. Рекомендации к применению

3.1 Экономические характеристики СФЭУ

Теперь можем перейти к оценке стоимостных характеристик КЭУ. Удельную стоимость мощности 1кВт КЭУ будем определять, как обычно, в виде

С_W^K = ( С^С + С^В + С^САБ + С^ВАБ) / Р (3.1)

В литературе известны стоимости единицы мощности ВЭУ - С_W^В (для номинальной скорости ветра V_Н) и СФЭУ - С_W^C (для номинальной солнечной радиации, обычно Е_Н = 1000Вт/м²). Т.е. при изменении V и Е удельные стоимости мощности изменяются. В связи с этим представим эти величины в виде не зависящими от V и Е. Такой величиной является стоимость 1м² этих установок для ВЭУ С_S^B и для СФЭУ С_S^С, определяемая для номинальных условий. Отметим, что для ВЭУ характерная площадь это площадь, ометаемая лопастями S^В и для СФЭУ это площадь солнечных батарей S^C, или в общем случае

С_S^B = С^В/ S^В и С_S^С = С^С/ S^С (3.2)

Очевидно, что стоимость СФЭУ и ВЭУ при известных их номинальных мощностях N^С_Н, N^В_Н и известных стоимостях единицы мощности будет равна

С_W^C и С^В = N^В_н С_W^В (3.3)

Также можем записать известные выражения для мощности СФЭУ

N^С = Е*S^C (3.4)

Для ВЭУ зависимость мощности и кпд ротора к^В от скорости ветра V существенно сложна /5/. В связи с этим, учитывая экспериментальные данные её можно записать для трехлопастных роторов в виде

N^B = N^В_Нf_V (3.5)

где N^В_Н - номинальная мощность ВЭУ, равная

N^В_Н = к^В S^В V_Н³/(2*1000), [кВт] (3.6)

где - плотность воздуха, и 1000 коэффициент перевода Вт в кВт; к^В - кпд ротора, для трехлопастных роторов к^В находится в диапазоне от 0.1 до 0.47; f_V -безразмерная функция, зависящая от типа ротора и для трехлопастных роторов в диапазоне 0 < V V_Н может быть представлена в виде (см. рис.2)

f_V = 0,67352(V/V_Н) - 4,297(V/V_Н)² + 10,561 (V/V_Н)³-5,936 (V/V_Н)⁴ (3.7)

Подставляя (14-17) в (13) для Е = Ен и V = Vн получаем "номинальные" стоимости 1 м² этих установок.

С_Sн^С = С^С/ S^С = С_W^C Е_Н (3.8)

С_Sн^B = С^В/ S^В = С_W^В ps

здесь S^С, S^В - площади СФЭУ и ВЭУ для номинальных Е_Н и V_Н (см. (14-16)); ps - коэффициент, равный ps = ( к^ВV_Н³/2000).

Фактически это отпускная цена 1м² СФЭУ и ВЭУ и очевидно она уже не изменяется после покупки. Напомним, что Ен =1000Вт/м², а для трехлопастных ВЭУ обычно V_Н = 8 9 м/с. Например, при удельных стоимостях мощности СФЭУ С_W^C = 5000 дол/кВт и кпд = 0.14 и Е_Н = 1кВт/м² получаем С_Sн^С = 700дол/м², а для ВЭУ при С_W^В = 1500дол/кВт, = 1.225кг/м³, к^В = 0.47, V_Н = 8 м/с С_Sн^B = 221дол/м².

Таким образом, при заданных мощностях с изменением E и V стоимости СФЭУ и ВЭУ будут существенно изменяться, или

С^С = С_Sн^С S^С = С_Sн^С N^С /(E) (3.9)

С^В = С_Sн^В S^В = С_Sн^В N^В /[ps f(V,V_Н)] (3.10)

здесь мощности N^С, N^В - определяются из

3.2 Экологические аспекты применения СФЭУ

Эта модель как видно может быть полностью использована и для расчета только параметров СФЭУ ( случай Р^В/Р =0)

На рис.3.1 приведены удельные стоимости мощности СФЭУ (при номинальной продажной стоимости мощности 5000дол/кВт), обеспечивающей заданные варианты нагрузок с РН =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.

Рис.3.1. Стоимость мощности СФЭУ для потребителя при различных режимах нагрузки в зависимости от сезона года.

На рис. 3.2. приведена зависимость стоимочстных характеристик СФЭУ мощностью 1 кВт при различных временах нагрузки : легкий режим - _H = 8ч; средний режим - _H = 12ч; тяжелый режим - _H = 8ч;

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

Рис. 3.2. Удельная стоимость мощности СФЭУ в зависимости от числа часов нагрузки.

3.3 Рекомендации к применению

Исходя из возможного прихода солнечной энергии на 1м² поверхности батареи

и графика нагрузки (см. табл.3) определяем ориентировочную площадь СБ - S для января месяца

S = Э1/(Эс*) = 24/((6.2/3.6)*0.12) = 114.3м²

Из этой энергии 1/3 используется в течение дня, остальная часть накапливается в АБ для работы в остальные 16 часов.

Из 2.2. следует, что энергия в АБ составляет Э_АБ

Э_АБ = 24 - 8 = 16кВтч.

При использовании аккумуляторов емкостью 30Ач с напряжением 12 В получаем.

Энергия в одной АБ равна

Э_АБ = 30Ач*12В = 360Втч = 0.36кВтч

Отсюда следует, что число АБ n равно

n = 16/0.36 = 45

2. Расчет инвертора

Расчет (выбор) инвертора производится по мощности нагрузки, или выбираем инвертор мощностью 1кВт.

Из табл. 4, считая, что реальное Ес = 250Вт/м² выбираем модули типа БСР-60, которые при данной Ес имеют мощность 30Вт. Число модулей равно n_M

n_M = 3/ 0.015 = 200, а их габаритная площадь составит 200* 0.67 = 134м²

При понижении температуры электролита на 1 градус емкость батареи уменьшается примерно на 1 процент. Таким образом, емкость батареи при 25 градусах мороза наполовину меньше, чем при 25 градусах тепла. Указанную зависимость следует учитывать при выборе места хранения батареи.

Саморазряд аккумуляторной батареи возникает вследствие образования местных токов между окислами активной массы и решеткой пластин. Кроме того, при длительном хранении плотность электролита в нижних слоях становиться больше, чем в верхних. Это приводит к появлению разности потенциалов и возникновению уравнительных токов на поверхности пластин. Нормальный саморазряд исправной батареи составляет около 10% за 14 суток.

Период эксплуатации любых батарей не вечен, даже если соблюдать правила хранения и обслуживания. Но для любых типов батарей справедливо правило: чем меньше глубина и количество разрядных циклов, тем дольше жизнь батареи.

Выбор инвертора производится исходя из пиковой мощности энергопотребления стандартного напряжения 220В/50Гц. Существует два режима работы инвертора. Первый режим - это режим длительной работы. Данный режим соответствует номинальной мощности инвертора. Второй режим - это режим перегрузки. В данном режиме большинство моделей инверторов в течении нескольких десятков минут (до 30) могут отдавать мощность в 1,5 раза больше, чем номинальная. В течении нескольких секунд большинство моделей инверторов могут отдавать мощность в 2,5-3,5 раза большую чем номинальная. Сильная кратковременная перегрузка возникает, например, при включении холодильника. Как правило, мощность инвертора примерно равна расчетной мощности ВЭУ. Ниже приведены характеристики и цены на инверторы Штиль табл. 2.9 и 2.10.

6. Плотность падающего солнечного излучения - Ес;

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

8. Зависимость поступления солнечного излучения от метеофакторов - f_cm;

9. 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;

10. 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

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)

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

Ес" = Е₀ exp(- k*r₀/sin h₀)

где h₀ - Высота Солнца в полдень, равная

h₀ = 90 - +

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

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

Заключение

В работе рассмотрены кристаллические, тонкопленочные полупроводниковые, органические материалы, из которых изготавливают солнечные элементы; устройство и физический принцип работы фотоэлементов и солнечных батарей. Приведены и проанализированы факторы, влияющие на эффективность и выходные характеристики солнечных батарей: интенсивность солнечного излучения и его спектральный состав, рабочая температура, ионизирующее излучение космического пространства, скорость ветра, влажность и давление воздуха, конструктивные особенности солнечных батарей.

Представлены модели, применяемые для имитирования солнечных батарей, рассмотрены их достоинства и недостатки. Исследованы методы и средства изучения полупроводниковых солнечных батарей малой мощности с учетом воздействия природных и аппаратных факторов. Показано полезность и целесообразность моделирования солнечных батарей для повышения эффективности их применения. Изучен алгоритм моделирования солнечных батарей из различных полупроводниковых материалов. В результате проведенных опытов с предложенным вариантом подключения солнечных преобразователей была подтверждена работоспособность разработанной схемы и полученные результаты имеют небольшое расхождение с расчетными данными. В свою очередь после ряда выполненных исследований рекомендую применение разработанной схемы подключения солнечных преобразователей как одного из множества вариантов решения проблемы по повышению производительности как солнечных батарей индивидуального пользования, так и солнечных электростанций в целом.

Литература

Аккумуляторные батареи. Эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт. / НИИАТ, - М., Транспорт, 1970

Андрианов В. Н. Электрические машины и аппараты. - М., Колос, 1971.

Атлас Ростовской области. /РГУ, Гл. упр. геодезии и картографии. - М.,1973.

Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник/ А7Э7 Кравчик и др. - М., Энергоиздат, 1988.

Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика. - М., Высшая школа, 1977.

ГОСТ 12.1.013 - 78. ССБТ. Строительство. Электробезопасность. Общие требования.

ГОСТ 12.1.018 - 86. ССБТ Статическое электричество. Искробезопасность. Общие требования.

ГОСТ 12.1.019 - 79. ССБТ Электробезопасность. Общие требования.

ГОСТ 12.1.010 - 76. ССБТ Взрывобезопасность. Общие требования. (СТ СЭВ 3617 - 81)

ГОСТ 12.1.007 - 76 ССБТ. Вредные вещества. Классификация. Общие требования безопасности.

ГОСТ 12.1.030 - 81. ССБТ Электрообезопасность. Защитное заземление, зануление.

ГОСТ 12.2. 007.1 - 75. ССБТ. Машины электрические вращающиеся. Требования безопасности.

ГОСТ 12.2. 007.7 - 75. ССБТ. Устройства управления комплектные на напряжение до 1000 В. Требования безопасности.

ГОСТ 12.2. 006 - 83. ССБТ. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Общие требования безопасности.

ГОСТ 12.2.007.11 - 83. ССБТ. Преобразователи энергии - статические силовые. Требования безопасности.

ГОСТ 12.2. 007.12 - 75. ССБТ. Источники тока химические. Требования безопасности.

ГОСТ 12.2. 007 - 75.ССБТ. Изделия электротехнические. Общие требования безопасности.

Дж. Твайделл, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии (Пер. с англ.). - М., Энергоатомиздат, 1990.

Драгилев В. А., Рязанцев Н. И. Строительство распределительных электросетей. Справочник электролинейщика. - Тула, Приокское книжное издательство, 1970.

Пилюгина В.В., Гурьянов В.А. Применение солнечной и ветровой энергии в сельском хозяйстве.Обзорная инф.-М.: ВАСХНИЛ, 1981.

Каганов И. Л. Курсовое и дипломное проектирование. - М., Колос, 1980.

Кажинский Б., Перли С. Ветроэлектростанции. - М., ДОСААФ, 1966.

Кораблев А. Д. Экономия энергоресурсов в сельском хозяйстве. - М., Агропромиздат, 1988.

Костенко М. П. Питровский Л. М. Электрические машины. Ч.1. Машины постоянного тока. Трансформаторы. - Л., Энергия, 1973.

Костенко М. П. Пиотровский Л. М. Электрические машины. Ч.2. Машины переменного тока. - Л., Энергия, 1973.

Машины электрические. Справочник. Т.2, Ч.1. - М., ВНИИ -стандартэлектро, 1991.

Машины электрические. Справочник. Т.2, Ч.2. - М., ВНИИ - стандартэлектро, 1991.

Низковольтные электрические аппараты. Справочник. Ч.1. Пускатели, контакторы. - М., ВНИИстандартэлектро, 1991.

Низковольтные электрические аппараты. Справочник. Ч.2. Электрические реле. - М., ВНИИстандартэлектро, 1991.

Правила устройства электроустановок (ПУЭ )./ Минэнерго СССР. - М., Энергоатомиздат, 1985.

ПРОНТО. Еженедельный информационный бюллетень товаров и услуг. - Ростов Н/Д, QWERTY, 1997.

Руководящие материалы по проектированию электроснабжения сельского хозяйства. - М., Сельэнергопроект, 1981.

Тлеулов А. Х. Методы оценки характеристик ветроэнергетических и гелиоустановок сельскохозяйственных объектов. Автор д. т. н., Челябинск, 1996.

Фатеев Е. М. Ветродвигатели и ветроустановки. - М., Сельхозгиз, 1957.

Д. Дэвинс. Энергия.-М.: Энергоатомиздат. 1985.

Шичков Л. П., Коломиец А. П. Электрооборудование и средства автоматизации сельскохозяйственной техники. - М., Колос, 1995.

Размещено на Allbest.ru

...