Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

на тему: «Энергоэффективность использования солнечных батарей в общественных зданиях»



ВВЕДЕНИЕ

батарея солнечный излучение

В настоящее время широкое применение находят системы преобразования солнечной энергии в электричество. Солнце обладает практически безграничными ресурсами. Солнечная энергия общедоступна. Разработка и производство систем преобразования солнечной энергии в электричество является наиболее перспективным и активно развиваемым направлением создания экологически чистых регенеративных источников энергии. 

На сегодняшний день существуют проблемы энергосбережения, поскольку электроэнергия дорожает из-за исчерпывающихся ресурсов планеты, что говорит об актуальности данной проблемы. Одно из направлений нетрадиционной или альтернативной энергетики является солнечная, основанная на непосредственном использовании солнечного излучения для преобразования энергии в различных видах. Так, гипотеза исследования выражается в том, что школа может обеспечивать себя электроэнергией за счет солнечных батарей. Объектом исследования является расчет необходимой электроэнергии, получаемой от солнечных батарей, предметом - необходимое количество солнечных батарей, которое можно установить на крыше здания или територии школы.

Целью данной работы является анализ эффективности использования солнечных батарей для электроснабжения общественных зданий. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить необходимую литературу о солнечном излучении;

- выяснить особенности солнечных излучений для нашей республики.

- проанализировать особенности площади школы для солнечных батарей;

- рассчитать энергию, поглощаемую солнечными батареями;

- произвести расчет стоимости потребляемой электроэнергии и выгоды при использовании солнечных батарей.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Характеристика объекта

В качестве объекта внедрения солнечных батарей выбрано общественное здание, а именно общеобразовательная школа в отдаленной сельской местности, где энергоснабжение связано с некоторимы трудностями.

Современное электроснабжение школы - это полифункциональный объект, сочетающий в себе необходимость соблюдения проектировщиком самых жестких норм (высокий уровень освещенности, безопасный доступ к электрооборудованию, надежность, применение специфических схемных решений), с одной стороны, и создания современных, отвечающих последним требованиям учебных, санитарных, бытовых помещений и отдельных специальных сооружений - с другой.

Солнце - неисчерпаемый источник энергии. Солнечные батареи могут размещаться на любой доступной поверхности школы. Также, данный вид энергии является полностью экологически чистым.

Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли, составляет около 1366 Вт/м2 [6]. В то же время, удельная мощность солнечного излучения на поверхности зависит от географической местности, погодных условий и т.д. и составляет максимум до 500 Вт/м2 (на экваторе). С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9--24 % (табл. 1.1).

При этом цена батареи составит около 1--3 долларов США за Вт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл.

По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях.

Таблица 1.1

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей,

достигнутые в лабораторных условиях

Тип	Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
Si (кремний кристаллический, поликристаллический, тонкопленочная передача)	24,7
Si (тонкопленочный субмодуль)	10,4
GaAs (арсенид галлия кристаллический)	25,1
GaAs (арсенид галлия тонкопленочный)	24,5
GaAs (арсенид галлия поликристаллический)	18,2
InP (кристаллический)	21,9
CIGS (фотоэлемент)	19,9
CIGS (субмодуль)	16,6
CdTe (фотоэлемент)	16,5
Si (кремний аморфный)	9,5
Si (кремний нанокристаллический)	10,1
Фотохимический на базе органических красителей	10,4
Органический полимер	5,15
GaInP/GaAs/Ge	32,0
GaInP/GaAs	30,3
GaAs/CIS (тонкопленочный)	25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль)	11,7

1.2 Преобразование солнечной энергии в электрическую энергию

Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. №лйпт, Helios -- Солнце).

Современный принцип работы фотоэлемента был открыт еще в 1839 году физиком Александром Беккерелем. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы фотоэлемента на практике.

Фотоэлемент -- электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Действие прибора основано на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте.

Внутренним фотоэффектом называется явление возрастания электропроводности и уменьшения сопротивления, вызванное облучением. Он объясняется перераспределением электронов по энергетическим состояниям в твёрдых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений, проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием излучения.

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнуты КПД 43,5 %, 44,4 %, 44,7 %.

Отсутствие выпрямительных диодов и эффективных антенн на частоты электромагнитного излучения, соответствующие свету, пока не позволяет создавать фотоэлектрические преобразователи использующие свойства кванта как электромагнитной волны, наводящей переменную ЭДС в дипольной антенне, хотя, теоретически, это возможно. От таких устройств можно было бы ожидать не только лучшего КПД, но и меньших температурной зависимости и деградации со временем.

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Неоднородность структуры ФЭП может быть получе-на легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны -- энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:

- отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,

- прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,

- рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,

- рекомбинацией образовавшихся фото-пар, на поверхностях и в объёме ФЭП,

- внутренним сопротивлением преобразователя,

- и некоторыми другими физическими процессами.

Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:

- использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;

- направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;

- переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;

- оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);

- применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;

- разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;

- создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;

Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно-переизлучающих структур, линз Френеля, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.

Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов СЭС считаются кремний, Cu(In,Ga)Se2 и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.

Фотоэлементы и модули делятся в зависимости от типа и бывают: монокристалические, поликристалические, аморфные (гибкие, пленочные).

В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %. В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с эффективностью 39 %. В 2011 году калифорнийская компания Solar Junction добилась КПД фотоэлемента размером 5,5Ч5,5 мм в 43,5 %, что на 1,2 % превысило предыдущий рекорд.

В 2012 году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba из полиметилметакрилата (оргстекла), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД системы при неподвижном положении панели составил 26--30 % (в зависимости от времени года и угла, под которым находится Солнце), в два раза превысив практический КПД фотоэлементов на основе кристаллического кремния.

В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4Ч4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 %, а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Soitec, CEA-Leti и Берлинского центра имени Гельмгольца создали фотоэлемент, использующий линзы Френеля с КПД 44,7 %, превзойдя своё собственное достижение в 43,6 % . В 2014 году Институт солнечных энергосистем Фраунгофер создали солнечные батареи, в которых благодаря фокусировке линзой света на очень маленьком фотоэлементе КПД составил 46 %.

В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца.

Перспективным направлением является создание фотоэлементов на основе наноантенн, работающих на непосредственном выпрямлении токов, наводимых в антенне малых размеров (порядка 200--300 нм) светом (то есть электромагнитным излучением частоты порядка 500 ТГц). Наноантенны не требуют дорогого сырья для производства и имеют потенциальный КПД до 85 %.

Также, в 2018 году, с открытием флексо-фотовольтаического эффекта, обнаружена возможность увеличения КПД фотоэлементов, а также за счёт продления жизни горячих носителей (электронов) теоретический предел их эффективности поднялся с 34 сразу до 66 процентов.

Кроме того, фотоэлементы используются в защитных устройствах, в системах управления производственными процессами, химических анализаторах, системах контроля за сгоранием топлива, за температурой, для контроля качества продукции массового производства, для светотехнических измерений, в указателях уровня, в счётных устройствах, для синхронизации, для автоматического открывания дверей, в реле времени, в записывающих устройствах.

1.3 Солнечная батарея

Солнечная батарея -- объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) -- полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.

Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.

Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент. При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно
От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость. Если говорить о том, как работает солнечная батарея, то не нужно забывать об аккумуляторах. Как правило, используется два аккумулятора. Один является основным, второй -- резервным. Основной накапливает электроэнергию, сразу же направляя ее в электрическую сеть. Второй накапливает избыточную электроэнергию, после чего направляет ее в сеть, когда напряжение падает. Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата. Очень важными элементами солнечной назвать диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя.

Устройство солнечной батареи достаточно сложное. Правильная схема солнечной батареи поможет добиться максимальной эффективности.

Основные части, из которых состоит СЭС (рис.1.1):

1. Батареи (панели), преобразующие солнечное излучение в ток постоянного напряжения.

2. Контроллер, регулирующий заряд АКБ.

3. Блок аккумуляторных батарей.

4. Инвертор, преобразующий напряжение АКБ в 220 В.

Подключать блоки преобразователей необходимо при помощи параллельно-последовательного способа, что позволит получить оптимальную мощность и максимально эффективное напряжение в электрической сети.

На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

- высокая надёжность при длительном (до 25--30 лет) ресурсе работы;

- высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;

- приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затрат на создание системы преобразования;

- минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;

- удобство техобслуживания.

Рис.1.1. Солнечная электростанция

Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.

Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры.

Частичное затемнение панели вызывает падение выходного напряжения за счёт потерь в неосвещённом элементе, который начинает выступать в роли паразитной нагрузки. От данного недостатка можно избавиться путём установки байпаса на каждый фотоэлемент панели. В облачную погоду при отсутствии прямых солнечных лучей крайне неэффективными становятся панели, в которых используются линзы для концентрирования излучения, так как исчезает эффект линзы.

Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используют контроллер управления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей.

Основные преимущества солнечных батарей:

- солнечная энергия абсолютно бесплатная;

- позволяют получать экологически чистую электроэнергию;

- быстро окупаются; простая установка и принцип работы.

Недостатки солнечной электроэнергетики.

- большая стоимость;

- для удовлетворения потребностей небольшой семьи в электроэнергии нужна достаточно большая площадь фотоэлементов;

- солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в вечерних сумерках, в то время как пик электропотребления приходится именно на вечерние часы;

- несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д.

Солнечные электростанции подвергаются критике из-за высоких издержек. Из-за своей низкой эффективности, которая в лучшем случае достигает 20 процентов, солнечные батареи сильно нагреваются. Остальные 80 процентов энергии солнечного света нагревают солнечные батареи до средней температуры порядка 55 °C. С увеличением температуры фотогальванического элемента на 1°, его эффективность падает на 0,5 %. Эта зависимость нелинейная и повышение температуры элемента на 10°С приводит к снижению эффективности почти в два раза. Активные элементы систем охлаждения (вентиляторы или насосы) перекачивающие хладагент, потребляют значительное количество энергии, требуют периодического обслуживания и снижают надёжность всей системы. Пассивные системы охлаждения обладают очень низкой производительностью и не могут справиться с задачей охлаждения солнечных батарей.

Выводы по главе 1.

1. В качестве объекта внедрения солнечных батарей выбрано общеобразовательная школа в отдаленной сельской местности, где энергоснабжение связано с некоторимы трудностями.

2. Солнечная батарея -- это объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) -- полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

3. Основными элементами солнечной установки для производства электроэнергии методом внутреннего фотоэффекта являются, батареи (панели), преобразующие солнечное излучение в ток постоянного напряжения, контроллер, регулирующий заряд АКБ, блок аккумуляторных батарей и инвертор, преобразующий напряжение АКБ в 220 В.

4. Основные преимущества солнечных батарей являются бесплатная солнечная энергия, возможность получения экологически чистой электроэнергии, быстрая окупаемость, простая установка и принцип работы.

5. Недостатками солнечной электроэнергетики являются большое начальное капиталовложение, достаточно большая площадь фотоэлементов, не работает ночью и недостаточно эффективно работает в вечерних сумерках и пасмурной погоде, фотоэлементы содержат ядовитые вещества.



ГЛАВА 2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Исходные данные

Общеобразовательная школа на 500 мест.

Потребляемая максимальная мощность - 30 кВт;

Количество солнечных дней для г. Душанбе - 300 дней.

Показатель солнечной инсоляции для г. Душанбе - 1541,6 кВтч/м2.

Средняя продолжительность светового дня - 12 часов.

Режим работы - односменная.

2.2 Выбор и расчет количества солнечных батарей

1. Расчетная нагрузка школы с учетом коэффициентов спроса и участия в максимуме:

N = ксNмакс = 0,6530 = 19,5 кВт,

где кс - коэффициент участия в максимуме потребителя для трансформаторного пункта, для школы к = 0,65.

3 Количество потребляемой электроэнергии в сутки при односменной работы:

Эпсут = Nсм+ киN(24-см) = 19,58+0,119,8(24-8) = 156+31,2 =

= 187,2 кВтч/сут.

4 Количество потребляемой электроэнергии в месяц при односменной работы:

Эмес = 30Эсут = 187,230= 5616 кВтч/мес.

5 Количество потребляемой электроэнергии в год при односменной работы:

Эгод = 10Эмес = 561610=56160 кВтч/год.

6 Выбираем солнечную батарею LG 315 N1C-G4 NeON южнокорейской компании LG с заявленной мощностью Nб = 315 Вт (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Характеристики LG 315 N1C-G4 NeON

№	Наименование	Значение
1	Номинальная мощность, Вт	315
2	Эффективность, %	19,2
3	Тип	N-типа
4	Размеры (LBD), мм	1640100040
5	Вес, кг	17. 0 ± 0.5
6	Тип разъемов	МС-4
7	Класс защиты	IP67
8	Стоимость модуля, сомони	4500

7 Площадь батареи: 16401000

Sб = LB = 1,641 = 1,64 м2.

8 Количество производимой электроэнергии за сутки:

Эбсут = Nб= 0,31512=3,78 кВтч/сут.

9 Количество производимой электроэнергии за месяц:

Эбмес = Nб= 0,3151230=113,4 кВтч/мес.

10 Количество производимой одной панели электроэнергии за год одной солнечной панели:

Эбгод = Nб= 0,31512300=1134 кВтч/год.

11 Количество батарей:

n = Эпсут/Эбсут = 187,2/3,78=49,5 шт.

Принимаем количество батарей n = 50 шт.

12 Общее количество производимой электроэнергии за год:

ЭСУгод = Эбгодn =113450 = 56700 кВтч/год.

13 Площадь, занимаемой солнечными батареями:

S = nSб = 1,6450 = 82 м2.

14 При установке 2 ряда ширина чердака:

В = 21,64 = 3,28 м.

15 Длина чердака:

L = 82/3,28 = 25 м.

2.3 Выбор аккумуляторов и инвертора

1. Оптимальный запас ёмкости аккумуляторных батарей (АКБ) это суточный запас энергии в аккумуляторах. Согласно расчетам, суточное потребление школы составляет:

Эпсут =187,2 кВтч/сут.

2. Рабочая ёмкость АКБ. Самый минимальный запас ёмкости аккумуляторов должен быть такой, чтобы обеспечить электроэнергией тёмное время и облачное время суток:

Эраб = Эпсут=187,21 =187,2 кВтч.

Тогда мы без проблем сможем обеспечить электроэнергией 1-2 пасмурных дня, без перебоев.

3. Мощность одного аккумулятора при э.д.с Е = 24 В и током I = 200 Ач:

Nак= ЕI =24*200=4800 ватт = 4,8кВт.

4. Число аккумуляторов:

n = N/Nак= 19,5/4,8 = 4 шт.

5. Но аккумуляторы нельзя разряжать на 100%. Специализированные АКБ можно разряжать максимум до 70%, если больше то они быстро деградируют. Если устанавливать обычные автомобильные АКБ, то их можно разряжать максимум на 50%. Поэтому, нужно ставить аккумуляторов в два раза больше чем требуется, иначе их придётся менять каждый год или даже раньше. При этом в обычные дни в течение суток аккумуляторы будут разряжаться всего на 20-30%, и это продлит их недолгую жизнь.

nфакт = 2n=24 = 8 шт.

6. Ещё одна немаловажная деталь - это КПД свинцово-кислотных аккумуляторов, который равен примерно 80%. То есть аккумулятор при полном заряде берёт на 20% больше энергии чем потом сможет отдать. КПД зависит от тока заряда и разряда, и чем больше токи заряда и разряда тем ниже КПД. Например, если аккумулятор на 200Ач, и вы через инвертор подключаете электрический чайник на 2кВт, то напряжение на АКБ резко упадёт, так-как ток разряда АКБ будет около 250Ампер, и КПД отдачи энергии упадёт до 40-50%. Также если заряжать АКБ большим током, то КПД будет резко снижаться. 

7. Также инвертор (преобразователь энергии 12/24/48 в 220в) имеет КПД 70-80%. 

8. Учитывая потери полученной от солнечных батарей энергии в аккумуляторах, и на преобразовании постоянного напряжения в переменное 220в, общие потери составят порядка 40%. Это значит что запас ёмкости аккумуляторов нужно увеличивать на 40%, и также увеличивать массив солнечных батарей на 40%, чтобы компенсировать эти потери. 

9. Существует два типа контроллеров заряда аккумуляторов от солнечных батарей, и без них не обойтись. PWM(ШИМ) контроллеры более простые и дешёвые, они не могут трансформировать энергию, и потому солнечные панели не могут отдать, а АКБ всю свою мощность, максимум 80% от паспортной мощности. А вот MPPT контроллеры отслеживают точку максимальной мощности и преобразуют энергию, снижая напряжение и увеличивая ток зарядки, в итоге увеличивают отдачу солнечных батарей до 99%. Поэтому если ставить более дешёвый PWM контроллер, то увеличивайте массив солнечных батарей ещё на 20%.



2.4 Расчет эффективности и срока окупаемости

Таким образом, школе для солнечного электроснабжения понадобится следующие оборудования (табл. 2.2):

Таблица 2.2

Оборудования для солнечного электроснабжения

№	Оборудование	Количество, шт.	Цена за 1шт., сомони	Общая стоимость, сомони
1	Солнечная батарея LG 315 N1C-G4 NeON	50	2000	100000
2	Аккумуляторная батарея	8	500	4000
3	Инвертор	1	500	500
4	Прочие расходы	1000
Итого	105500

1. Стоимость оборудования для солнечного электроснабжения:

Исолн = 105500 сомони = 105,5 тыс. сомони.

2. Стоимость строительных и монтажных работ:

Кстр = Исолн ? бстр=1055000,01=1055 сомон?,

где бстр - доля стоимости строительных и монтажных работ, бстр = 0,01.

3. Число ослуживающего персонала: Ч=1.

4. Годовой расход зарплаты:

ИЗП = ЧЗгод1,4=196001,4=13440 сомон?/год=13,44 тыс. сомони/год,

где- годовая зарботная плата, сомони/чел./год; 1,4 - коэффитсиент начысления, 40%.

5. Годовой расход на ремонтные работы:

Ир = 0,001 ? Исолн = 0,005105500=527 сомон?/год.

6. Годовой расход эксплуатации оборудований солнечного электроснабжения (срок службы оборудований 5 лет):

Иэкс = Исолн/5 + Истр/5 + ИЗП + Ир =

=105500/5+1055/5+13440 +527 =35278 сомони/год.

7. Стоимость электроэнергии, производимый солнечным оборудованием во время срока окупаемости:

Sс = Иэкс/ЭСУгод =35278/56700 =0,62 сомон?/ кВтч.

8. Стоимость электроэнергии, производимый солнечным оборудованием после срока окупаемости:

Sс = (ИЗП + Ир)/ЭСУгод = (13440 +527)/56700 =0,24 сомон?/ кВтч.

9. Годовой расход денежных средств на электроэнергию из дизельного электрогенератора (при стоимости 1 сомони/кВтч):

Исет = NЦэл = 19,5300101=585001=58500 сомони/год,

10. Годовой экономический эффект:

Э = (Sд - Sс) ? ЭСУгод=(1-0,62) 56700 =21546 сомони/год.

где Sд - стоимость электроэнергии от дизельного электрогенератора.

11. Срок окупаемости:

Ток = Иэкс / Э=35278/21546=1,6 год.

12. Результаты вносим в табл. 2.3.

Таблица 3.2

Технико-экономические показатели солнечной установки

№	Номг?й	Единица измерения	Обозначение	Значение
1	2	3	4	5
2	Марка и количество солнечных панелей	-	-	LG 315 N1C-G4 NeON 50 шт.
3	Производство электроэнергии	кВтч/год	ЭСУгод	56700
4	Количество обслуживающего персонала	чел.	Ч	1
5	Денежные расходы на заработную плату	сомони/сол	ИЗП	13440
6	Денежные расходы на ремонт	сомони/сол	Ир	527
7	Капитальные вложения	сомони	Исолн	105500
8	Денежные расходы на годовую эксплуатацию	сомони/год	Иэксп	35278
9	Стоимость электроэнергии во время срока окупаемости	сомон? / кВтч	Sс	0,62
10	Стоимость электроэнергии во время срока окупаемости	сомон? / кВтч	Sс	0,24
11	Экономический эффект	сомони/год	Э	21546
12	Срок окупаемости	год	Ток	1,6

Выводы по главе 2.

1. Расчетная нагрузка школы с учетом коэффициентов спроса и участия в максимуме составил 19,5 кВт, количество потребляемой электроэнергии в год при односменной работы 56160 кВтч/год.

2. Для солнечного электроснабжения выбрана солнечная батарея LG 315 N1C-G4 NeON южнокорейской компании LG с заявленной мощностью Nб = 315 Вт в количестве 50 шт. Производство электроэнергии солнечной установки составляет 56700 кВтч/год.

3. Стоимость оборудования для солнечного электроснабжения составила 105,5 тыс. сомони, денежные расходы на годовую эксплуатацию 35278 сомони/год.

4. Срок окупаемости капитальных вложений составляет 1,6 год, стоимость электроэнергии во время срока окупаемости 0,62 сомони/кВтч, после срока окупаемости 0,24 сомони/кВтч.



Глава 3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ УСТАНОВКИ

3.1 Солнечные батареи LG 315 N1C-G4 NeON

На рис. 3.1 приведена внешний вид солнечной батареи LG 315 N1C-G4 NeON.

Рис. 3.1 Внешний вид солнечной батареи LG 315 N1C-G4 NeON

Основные характеристики солнечных батарей LG 315 N1C-G4 NeON приведены в табл. 3.1 и 3.2.

Таблица 3.1

Технические характеристики батарей LG 315 N1C-G4 NeON

№	Характеристика, обозначение, единица измерения	Значение
1	Максимальная мощность Pmax, Вт	315
2	Напряжение максимальной мощности Vmp, В	32,9
3	Ток максимальной мощности Imp, А	9,58
4	Максимальное напряжение системы, В	1000
5	Эффективность, %; Вт/м2	18,4; 184
6	Температурный коэффициент тока Isc, %/C	+ 0,03
7	Температурный коэффициент напряжения Voc, %/C	- 0,27
8	Температурный коэффициент мощности Pmax, %/C	- 0,37

Таблица 3.2

Физические характеристики батарей LG 315 N1C-G4 NeON

№	Характеристика	Значение
1	Элементы	60х6
2	Покрытие	анодированный алюминий (окрашенный в черный цвет)
3	Напряжение открытой цепи Voc, В	40,7
4	Ток короткого замыкания Isc, А	10.12
5	Нагрузка фронтальная, Па	6000
6	Нагрузка ветровая, Па	5400
7	Вес, кг	18
8	Высота, мм	1686
9	Ширина, мм	1016
10	Глубина, мм	40
11	Гарантия	1 год /98,0% от Pmax 25 лет /84,8% от Pmax



3.2 Аккумуляторные батареи

На рис. 3.2. приведена внешний вид аккумулятора для солнечных батарей

Рис. 3.2. Внешний вид аккумулятора для солнечных батарей

Марка: MM 200-12 (MNB), 12В, 200 А*ч, AGM Аккумуляторная батарея

Производитель: MNB

Модель: MM 200-12

Характеристики:

Номинальное напряжение, В: 12

Номинальная емкость, А*ч: 200

Емкость, 10 часовой разряд: 200 А*ч (20 А; 1.80 В/эл)

Емкость, 5 часовой разряд: 180 А*ч (36 А; 1.75 В/эл)

Емкость, 1 часовой разряд: 128 А*ч (128 А; 1.60 В/эл)

Кол-во циклов 30% разряд: 1300

Кол-во циклов 50% разряд: 500

Кол-во циклов 100% разряд: 300

Максимальная энергоемкость, Вт*ч: 2400

Максимальный зарядный ток, А: 60

Оптимальный зарядный ток, А:  20

Саморазряд:  3% емкости в месяц при 20°С.

Рабочий диапазон температур, °C: -20 +60

Габариты Д*Ш*В, мм: 523*240*219.

Вес, кг: 62.4.

Срок службы в буферном режиме: 12 лет

3.3 Инвертор

На рис. 3.3. приведена внешний вид инвертора для солнечных батарей

Рис. 3.3. Внешний вид инвертора для солнечных батарей

Производитель: TBS ELECTRONICS.

Мощность, кВт: 3,5.

Напряжение, В: 24 В.

Ток, А: 70.



3.4 Контроллер зарядки аккумуляторов

Контроллер (рис. 3.4) зарядки аккумуляторов служить контроля уровня заряда аккумулятора, также отслеживает потребление энергии. В зависимости от степени разряда, схемой контроллера заряда аккумулятора от солнечной батареи регулируется и устанавливается уровень тока, необходимый для начального и последующего заряда.

Рис. 3.4. Внешний вид контроллера зарядки аккумуляторов для солнечных батарей

При подборе контроллера данного типа мы будем прежде всего опираться на 2 основных характеристики это допустимая сила тока (5А, 10А,  20А, 50А) и рабочее напряжение (12В, 24В, 48В).

Допустимая сила тока определяет максимальный ток от солнечных панелей который будет выдерживать контроллер.

Рабочее напряжение - это режимы в которых контроллер может функционировать. В зависимости от схемы соединения солнечных панелей и аккумуляторов - мы можем выбрать режим работы - рабочее напряжение.

Другим важным ограничением при выборе PWM контроллера заряда считается емкость банка аккумуляторов. Считается, что ток заряда аккумуляторов должен быть не менее 10% от значения емкости банка аккумуляторов, т.е. для аккумулятора на 100Ач нужен ток контроллера не менее 10А. При последовательном включении аккумуляторов номинальное напряжение остается неизменным, а вот емкость суммируется соответственно для двух 100Ач АКБ включенных последовательно, ток нужен уже 20А. Поэтому необходимо выбирать режим работы контроллера так, чтобы ток заряда банка аккумуляторов не был больше номинального тока контроллера.

На рис. 3.5. структурная схема контроллера зарядки аккумуляторов для солнечных батарей.

Рис. 3.5. Структурная схема контроллера зарядки аккумуляторов для солнечных батарей

Выводы по главе 3.

1. Основными характеристиками солнечных батарей являются мощность, напряжение, ток и эффективность.

2. Основными характеристиками аккумуляторных батарей являются номинальное напряжение, номинальная емкость, максимальный зарядный ток.

3. Основными характеристиками инверторов являются мощность, напряжение и ток.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В качестве объекта внедрения солнечных батарей выбрано общеобразовательная школа в отдаленной сельской местности, где энергоснабжение связано с некоторимы трудностями.

2. Солнечная батарея -- это объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) -- полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

3. Основными элементами солнечной установки для производства электроэнергии методом внутреннего фотоэффекта являются, батареи (панели), преобразующие солнечное излучение в ток постоянного напряжения, контроллер, регулирующий заряд АКБ, блок аккумуляторных батарей и инвертор, преобразующий напряжение АКБ в 220 В.

4. Основные преимущества солнечных батарей являются бесплатная солнечная энергия, возможность получения экологически чистой электроэнергии, быстрая окупаемость, простая установка и принцип работы.

5. Недостатками солнечной электроэнергетики являются большое начальное капиталовложение, достаточно большая площадь фотоэлементов, не работает ночью и недостаточно эффективно работает в вечерних сумерках и пасмурной погоде, фотоэлементы содержат ядовитые вещества.

6. Расчетная нагрузка школы с учетом коэффициентов спроса и участия в максимуме составил 19,5 кВт, количество потребляемой электроэнергии в год при односменной работы 56160 кВтч/год.

7. Для солнечного электроснабжения выбрана солнечная батарея LG 315 N1C-G4 NeON южнокорейской компании LG с заявленной мощностью Nб = 315 Вт в количестве 50 шт. Производство электроэнергии солнечной установки составляет 56700 кВтч/год.

8. Стоимость оборудования для солнечного электроснабжения составила 105,5 тыс. сомони, денежные расходы на годовую эксплуатацию 35278 сомони/год.

9. Срок окупаемости капитальных вложений составляет 1,6 год, стоимость электроэнергии во время срока окупаемости 0,62 сомони/кВтч, после срока окупаемости 0,24 сомони/кВтч.

10. Основными характеристиками оборудований солнечной установки являются мощность, годовая производительность электроэнергии, себестоимость электроэнергии.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Volker Q. Regenerative Energiesysteme. - Mьnchen: Carl Hanser Verlag, 2013. - 424 S.

2. Wagner A. Photovoltaik Engineering: Handbuch fьr Planung, Entwicklung und Anwendung. - Heidelberg: Stringer Verlag, 2010. - 439 S.

3. Фортов В.Е., Попель О.С. Энергетика в современном мире. -Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2011. - 168 с.

4. Саидова Г.К. Альтернативные источники энергии: возможности использования в Узбекистане: аналитический доклад. -Ташкент: Центр экономических исследований, 2011. - 74 с.

5. Дураева Е. Возобновляемая энергия в России. От возможности к реальности. - Париж: Изд. ОЭСР/МЭА, 2004. - 124 с.

6. Попель О.С. Возобновляемые источники энергии: роль и место в современной и перспективной энергетике // Ж. рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева. - 2008. - Т. 52. - №6. - С. 95-106.

7. Фортов В.Е., Макаров А.А. Направления инновационного развития энергетики мира и России // Успехи физических наук. - 2009. - Т. 179. - № 12. - С. 1337-1353.

8. Никитин Д. Трудный путь к солнцу: согреет ли Россию солнечная энергетика // РосБизнесКонсалтинг. 1995-2015. URL: http://top.rbc.ru/economics/17/06/2013/862008.shtml (дата обращения: 19.02.2014).

9. Gremenok V.F. Thin film solar cells based on Cu(In, Ga)Se2 // ECOBALTICA'2006: Proceedings of the VI International Youth Environmental Forum / Ed.by M. Fiodorov et al. - Saint-Petersburg, 2006. - P. 24-28.

10. Wьrfel P. Physik der Solarzellen. - Heidelberg: Spektrum Publ., 2000. - 195 S.

11. Рейви K. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. -М.: Мир, 1984. - 472 с.

12. Wьrfel P. Physics of solar cells. From principles to new concepts. - Weinheim: Wiley-VCH Publ., 2005. - 186 p.

13. Schьnemann C. Photovoltaik // Regenerative Zukunft. URL: http://www.regenerative-zukunft.de/erneuerbare-energien-me-nu/photovoltaik (дата обращения: 25.02.2014).

14. Гременок В.Ф. Солнечные элементы на основе полупроводниковых материалов. - Минск: ИЦ БГУ, 2007. - 222 с.

15. Шаповалов В.А., Никитенко Ю.А. Профилированные монокристаллы кремния для солнечной энергетики // Вопросы атомной науки и техники. - 2014. - № 1 (89). - С. 48-52.

16. Mahon S. SunPower claims new 23.4 percent solar cell efficiency record // PV-Tech. 2014. URL: http://www.pv-tech.org/news/ sunpower_claims_new_234_percent_solar_ c e l l_e f f icien cy_r e -cord (дата обращения: 14.02.2014).

17. Системный комплекс по исследованию работы солнечных батарей различных производителей в реальных условиях эксплуатации / Д.В. Дубинин, В.Е. Лаевский, В. Поль, Дж. Хай-лиг // Электронные средства и системы управления: Матер. докладов IX Междунар. научно-практ. конф. - Томск: В-Спектр, 2013. - C. 140-145.

18. Roedem B. Thinfilm PV module review: Changing contribution of PV module technologies for meeting volume and product needs / Ed. by B. Roedem // Refocus. - 2006. - V. 7. - № 4. - P. 34-39.

19. Jager-Waldau A. R&D roadmap for PV // Thin Solid Films. -2004. - V. 451. - P. 448-454.

20. Photovoltaic materials, history, status and outlook / A. Goetzber-ger et al. // Material Science and Engineering. - 2003. - V. 40. -P. 1-46.

21. КиберЛенинка: https://cyberleninka.ru/article/n/energeticheskaya-effektivnost-raboty-solnechnyh-batarey-v-realnyh-rezhimah-ekspluatatsii

Размещено на Allbest.ru

...