Расчет солнечной электростанции

Под расчетом автономной системы бесперебойного энергопи­тания (СБЭП) понимается выбор типа, условий эксплуатации и емко­сти АКБ; определение мощности солнечных модулей, их количества, схемы соединения; мощности инвертора и контроллера заряда-разряда; определение параметров соединительных кабелей.

7.1 Определение суммарной мощ­ности всех потребителей, под­ключаемых одновременно и рабо­тающих определенное время в сутки (неделю)

Для оценки суммарной мощно­сти всех потребителей необходимо перемножить мощность каждого из потребителей на время его работы для определения требуемой энер­гии в Вт× ч в неделю. Далее все эти данные суммируются для вычисле­ния полной нагрузки переменного тока в ватт× часах в неделю.

Пример расчета полной нагруз­ки приведен в таблице 1.

Таблица 1

Среднесуточное значение солнечной освещенности (I) в Европе в кВт× ч/м² в день

(наклон к югу, угол наклона к горизонту 30°)

	Южная Европа	Центральная Европа	Северная Европа
январь	2, 6	1, 7	0, 8
февраль	3, 9	3, 2	1, 5
март	4, 6	3, 6	2, 6
апрель	5, 9	4, 7	3, 4
май	6, 3	5, 3	4, 2
июнь	6, 9	5, 9	5, 0
июль	7, 5	6, 0	4, 4
август	6, 6	5, 3	4, 0
сентябрь	5, 5	4, 4	3, 3
октябрь	4, 5	3, 3	2, 1
ноябрь	3, 0	2, 1	1, 2
декабрь	2, 7	1, 7	0, 8
За год	5, 0	3, 9	2, 8

 

На этом этапе уже можно выб­рать мощность инвертора, которая должна быть не менее чем в 1, 1 раза больше расчетной. Следует иметь в виду, что, к примеру, компрессор­ный холодильник в момент запуска потребляет мощность в 7 раз больше паспортной, поэтому при подборе инвертора необходимо обратить внимание на пиковую мощность. Для мощных станций (более 1 кВт) напряжение станции выбира­ется не менее 48В, так как на боль­ших мощностях инверторы лучше работают с более высоких исходных напряжений.

7.2 Определение емкости аккуму­ляторной батареи (АКБ)

Расчетная емкость получается простым делением суммарной мощ­ности потребителей на произведе­ние напряжения АКБ и на значение глубины разряда аккумулятора в долях.

Например, если суммарная мощ­ность потребителей W=25836, 8 Вт× ч в неделю, а допустимая глубина раз­ряда АКБ U_АКБ =12В – n=50%, то расчетная емкость составит:

C = W: m: ( U_АКБ × n) = 25836, 8: 7: (12× 0, 5) = 615, 2 (А× ч),

где m – количество дней в неделю.

При расчете емкости АКБ в полностью автономном режиме необходимо принимать во внима­ние пасмурные дни, в течение кото­рых аккумулятор должен обеспечи­вать работу потребителей. При этом необходимо умножить расчет­ную емкость АКБ в сутки на число дней без солнца, характерное для местности, где устанавливается СБЭП. Это количество электриче­ства, которое нужно запасти в АБ. Если таких дней l =2, то итоговая рас­четная емкость АКБ составит:

C_Σ = C × l = 615, 2 × 2 = 1230, 4 (А× ч)

 

7.3 Определение суммарной мощ­ности и количества солнечных модулей

Для расчета потребуется значе­ние среднего количества пиковых солнечных часов в вашей местно­сти (из метеокарт или таблиц). Часто в средней полосе России этот показатель составляет z =5 дней в неделю.

Учитывая потери на заряд-раз­ряд аккумуляторной батареи (обыч­но b=20% при использовании специ­альных батарей, при использова­нии обычных стартерных батарей до 50%), определяем требуемое число C_d А× ч от СБ в сутки:

C_d = C_Σ × (1+b): z = 1230, 4× 1, 2: 5 = 295, 3 (А× ч).

 

7.4 Определение количества сол­нечных модулей

Зная ток фотоэлектрического модуля в точке максимальной мощ­ности (см. спецификации произво­дителя), например I=7А, определяется количество солнечных модулей:

N = C_d /I =295, 3: 7 = 42, 2 (ед.)

Таким образом, солнечная электростанция, собранная из 43-х сол­нечных модулей, инвертора мощ­ностью от 2, 2 кВт, 13 необслуживае­мых аккумуляторов (единичной емкостью 100 А× ч), выбранные в соответствии с C_Σ , способна пол­ностью в автономном режиме обес­печить потребителя требуемой энергией 25836, 8 Вт× ч в неделю или 3691 А× ч в сутки.

При проектировании настоя­тельно рекомендуется максимально снизить мощность потребителей. Например, в качестве осветителей использовать (по возможности) только энергосберегающие лампы. Такие светильники при потреблении в 5 раз меньшем, обеспечивают световой поток, эквивалентный световому потоку лампы накаливания.

На небольших ФЭС целесообразно устанавливать модули на поворотном кронштейне для оптимального разворота относительно падающих лучей. Это позволит увеличить мощность станции на 20-30%.

7.5 Пример расчета автономной системы бесперебойного энерго­питания (гибридная система - солнечная электростанция + про­мышленная электросеть)

При расчете системы все пошаговые операции аналогичны ука­занным выше, однако не учитываются пасмурные дни, т.е. не берется в расчет необходимость дополнительных АКБ и солнечных панелей. Расчет потребного количества электроэнергии представлено в таблице 2.

При этих условиях емкость АКБ составит:

C = W: m: ( U_АКБ × n) = 25836, 8: 7: (12× 0, 5) = 615, 2 (А× ч),

Суммарная мощность солнеч­ных модулей(при отсутствии пасмурных дней):

C_Σ = C × l = 615, 2 х 1, 2: 7 = 105, 5 (А× ч)

Количество солнечных модулей (при токе фотоэлектрического модуля равному 7А):

105, 5: 7 = 15, 1 (ед.)

При применении гибридной системы цена по комплектации уменьшается более чем в 2 раза. При этом стоимость забранной электроэнергии от электросети вполне компенсируется работой системы в автономном режиме.

Таблица 2

Пример расчета полной нагрузки

Нагрузка переменного тока, питаемая через инвертор	Мощность, Вт	Кол-во	час/нед.	Вт× ч/нед.
Кофеварка
Микроволновая печь
Холодильник				1500С
TV/DVD 19"
Радиочасы
Энерго­сберегающие лампы 20 Вт
Итого
Всего с учетом КПД инвертора=90%				W=25836, 8

7.6 Ценовые характеристики обо­рудования

В 2010-2011гг. цены на комплектные солнечные электростанции варь­ируются в диапазоне 250...500 тыс. руб. (в зависимости от комплектую­щих) за 1 кВт установленной мощно­сти. В эту стоимость входит весь комплект необходимого оборудова­ния: фотопанели (ФП), соедините­ли ФП, монтажные конструкции, заряд-контроллер, автомат защиты постоянного тока, УЗО постоянно­го тока, бокс для коммутации и авто­матов защиты, инвертор, систем­ный контроллер, байпас инвертора, комплект АКБ.

При наличии централизован­ной сети энергоснабжения это оборудование имеет очень долгий срок окупаемости. Оно больше подойдет для потребителей, не имеющих доступа к централизо­ванной сети, а также там, где затруднена поставка жидкого и газообразного топлива для экс­плуатации дизельных или газо­поршневых энергоустановок.

Развитие технологий и серий­ное освоение позволяют посто­янно снижать цену киловатта уста­новленной мощности. Особенно привлекательны эти решения (с точки зрения цены), когда суще­ствуют жесткие лимиты на под­ключение электроэнергии (нет возможности выделить требуемое количество электричества потре­бителю), высока стоимость техно­логического присоединения или есть другие обременения, наклады­ваемые распределительными орга­низациями (прокладка линий электропередач, установка пони­жающих трансформаторов за свой счет).

 

Лабораторная работа «Исследование энергетических характеристик фотоэлектрического преобразователя»

Законы фотоэффекта

Преобразование энергии в ФЭП (фотоэлектрический преобразователь) основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Чаще всего для фотоэлементов СФЭУ используются кремний, Cu(In, Ga)Se2 и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетеро фотоэлектрических преобразователях (ГФЭП) со структурой AlGaAs-GaAs.

1. Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов веществом под действием света, поглощаемого этим веществом.

Экспериментально установлены три основные закона внешнего фотоэффекта, справедливые для любого материала фото эмиттера:

1) количество электронов, испускаемых в единицу времени (сила фототока в режиме насыщения), пропорционально интенсивности света (закон Столетова);

2) для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует " «красная граница" внешнего фотоэффекта , где такая частота света, меньше которой ( ) фотоэлектронная эмиссия не наблюдается;

3) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности (закон Эйнштейна).

Все эти закономерности находят исчерпывающее объяснение на основе фотонных представлений о свете (М. Планк, 1900г.; А. Эйнштейн, 1905г.).

При облучении вещества светом его электроны получают энергию не непрерывно, а порциями (квантами). Энергия каждой порции равна

, (1)

где - постоянная Планка с чертой;

- циклическая частота световой волны.

Позже эти порции энергии света были названы фотонами.

Чем больше интенсивность света определенной частоты, тем больше фотонов с определенной энергией падает на поверхность вещества в единицу времени и, следовательно, больше выбивается электронов. Если все выбитые электроны являются носителями электрического тока в цепи (режим тока насыщения), то сила этого тока будет пропорциональна интенсивности света. То есть действительно должен выполняться закон Столетова.

Если энергии одного фотона не достаточно, чтобы выбить электрон, то фотоэффекта не будет, сколько бы таких фотонов ни падало на вещество. При этом предполагается, что электрон может поглотить только один фотон; вероятность же одновременного поглощения двух и более фотонов ничтожно мала. Следовательно, действительно должна существовать «красная граница» фотоэффекта.

Назовем наименьшую энергию, необходимую для освобождения электрона из данного вещества, работой выхода А_В.

Тогда для электрона, которому достаточно для освобождения именно этой энергии и который поглотил фотон с энергией , можно записать

, (2)

где - максимально возможная кинетическая энергия выбитых электронов при данной энергии поглощенного фотона и работе выхода А_В. Эта формула является, по сути, законом сохранения энергии и называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

Так как началу фотоэффекта соответствует очевидное условие , то из уравнения Эйнштейна следует выражение для красной границы фотоэффекта:

. (3)

Выражая из (2) максимальную кинетическую энергию электрона получаем, что она действительно пропорциональна частоте света и не зависит от интенсивности светового потока:

. (4)

2. Спектральная зависимость фотоэлектронной эмиссии. Одной из важнейших характеристик фотоэмиттера является его квантовая эффективность (квантовый выход) Y [1]. Пусть на фотоэмиттер падает в единицу времени n > > 1 фотонов. Тогда число электронов n_e, испускаемых этим фотоэмиттером за единицу времени, равно

. (5)

Если энергия фотона меньше значения, соответствующего красной границе фотоэффекта , квантовый выход равен нулю (фотоэффект не наблюдается). При увеличении частоты света квантовый выход быстро растет, достигая максимума при некоторой частоте , затем уменьшается; при еще большем росте частоты может опять наблюдаться медленный рост квантового выхода. Указанный характер зависимости связан с энергетическими состояниями свободных электронов и наблюдается у металлов [1].

Для большинства металлов максимальное значение величины Y не превышает 0, 1 при энергии фотона . Кроме того, красная граница фотоэффекта для щелочных металлов соответствует энергии фотона , а для остальных металлов еще больше . Сказанное означает, что металлические фотоэмиттеры нефоточувствительны в видимой области спектра и, кроме того, имеют малый квантовый выход. Поэтому чистые металлы практически не используются в качестве фотоэмиттеров в электровакуумных приборах.

Эффективные фотоэмиттеры в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра созданы на основе полупроводниковых материалов. При этом следует отметить, что переходя от металлов к полупроводникам, нужно применять в уравнении Эйнштейна (2) вместо работы выхода А_В другую энергию W – порог фотоэффекта [1]:

. (6)

Это связано с более сложным, чем у металлов характером энергетических состояний электронов, способных покинуть полупроводник при фотоэффекте. Существенное влияние на фотоэмиссию оказывает примесь, добавленная в полупроводник, и состояние его поверхности.

При использовании полупроводниковых фотоэмиттеров удается увеличить максимальное значение квантового выхода Y_max до 0, 5 при пороге фотоэффекта .

 

Рисунок 3

 

3. Вольтамперная характеристика фотоэлемента. На рисунке 4 показана схема включения фотоэлемента, позволяющая снять его вольтамперную характеристику (ВАХ) .

Примерный вид таких ВАХ, полученных для одинаковой частоты, но различных интенсивностей света, представлен на рисунке 3.

Участок АВ графика соответствует току насыщения I_НАС. фотоэлемента. При этом сила тока при не зависит от напряжения между катодом и анодом, потому что все электроны, выбитые светом в область пространства между катодом и анодом, достигают анода.

Рисунок 4

При напряжениях электрическое поле между катодом и анодом недостаточно для того, чтобы при данной геометрии фотоэлемента собрать на аноде все выбитые электроны. Сила тока становится меньше I_НАС.. Причем при нулевом и даже отрицательном напряжении на аноде сила тока отлична от нуля. Это объясняется тем, что некоторые выбитые фотонами электроны (при ) обладают достаточным запасом кинетической энергии для того чтобы даже в тормозящем поле достичь анода (участок графика СD).

При некоторой определенной разности потенциалов задерживающего поля наступает состояние, когда даже самые энергичные из летевших к аноду электронов, не коснувшись его, отбрасываются назад к катоду. Ток через фотоэлемент при этом становится равным нулю (точка D графика). Работа сил тормозящего электрического поля над электронами с максимальной кинетической энергией в момент их остановки около анода равна приращению этой энергии:

. (7)

В реальном фотоэлементе анод и катод могут быть изготовлены из различных веществ. Поэтому между ними, кроме разности потенциалов U, обусловленной внешним источником, возникает так называемая контактная разность потенциалов U_КОНТ. Вольтметр, включенный в схему, измерить U_КОНТ не может. Следовательно, точке D графика соответствует истинное напряжение

. (8)

 

Рисунок 5 – Схема экспериментальной установки.

 

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Годовые издержки электростанции по экономическим элементам затрат.
2. Конденсационные электростанции.
3. Поступление солнечной радиации на земную поверхность и явления, связанные с ней. Радиационный баланс Земли.
4. При приеме солнечной ванны не рекомендуется - находиться у больших водоемов
5. Состав и строение Солнечной системы
6. Чем отличаются блочные и неблочные (с поперечными связями) тепловые схемы ТЭС? Каковы их достоинства и недостатки? Как выбирается структура тепловой схемы электростанции?