Обоснование площади батареи фотоэлектрических преобразователей для автономной электростанции

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 620.9

Обоснование площади батареи фотоэлектрических преобразователей для автономной электростанции

Воронин С.М., Жогалев А.П., Цыганов В.В.

Азово-Черноморский инженерный институт (филиал Донского ГАУ)

Аннотация

Рассмотрены особенности определения параметров автономной солнечной электростанции с учетом графика нагрузки, интенсивности солнечного излучения и возможности запасать избыток энергии в электрохимических аккумуляторах. Приведен реальный график нагрузки автономного потребителя. Представлены расчеты вырабатываемой мощности батареи фотоэлектрических преобразователей при изменении ее площади с учетом графика нагрузки. Приведен графический способ нахождения достаточной площади батареи ФЭП. Сделан вывод, что, изменяя площадь батареи ФЭП, можно регулировать дефицит и избыток энергии, которым можно заряжать электрохимические аккумуляторы.

Ключевые слова: СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ГРАФИК НАГРУЗКИ, БАЛАНС ЭНЕРГИИ

При проектировании автономной солнечной электростанции прямого преобразования энергии солнечного излучения в электроэнергию постоянного тока важнейшей является задача обоснования параметров батареи фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) [1, 2]. Важность этой задачи обусловлена особенностями автономного электроснабжения, а именно отсутствием гарантированного источника энергии.

Так как, в зависимости от состояния атмосферы и угла солнцестояния, интенсивность солнечного излучения на поверхности земли нерегулярна даже в дневное время суток, а электроэнергия требуется и в ночное время суток, то автономные солнечные электростанции на основе фотоэлектрических преобразователей требуют дублирующего источника энергии [2, 3]. Применение в качестве дублирующего источника энергии топливной электростанции для автономных потребителей сопряжено с некоторыми недостатками. Во-первых, необходимость в топливе и неуклонное повышение цен на нефтепродукты, даже при падении цен на нефть; во-вторых, вредное влияние продуктов горения на окружающую среду, что для некоторых объектов электроснабжения (например, пасеки) является важным фактором; в-третьих, существенное снижение КПД при малых нагрузках, а, значит, перерасход топлива [1, 4, 7, 9]. В силу этого в последнее время в качестве дублирующего источника все чаще используются электрохимические аккумуляторы [10]. Это объясняется тем, что при переменном графике нагрузки автономного потребителя и переменной мощности солнечной электростанции неизбежны периоды, когда фотоэлектрический преобразователь генерирует электроэнергию, превышающую потребности в ней. Этот избыток энергии может и должен использоваться для зарядки электрохимических аккумуляторов и последующего использования их для электроснабжения потребителей [3, 4, 5, 8].

Таким образом, площадь батареи фотоэлектрических преобразователей и емкость аккумуляторных батарей связаны между собой и зависят от параметров электропотребления и поступающей энергии солнечного излучения.

Суточное электропотребление автономного объекта электроснабжения, как и любого объекта, можно представить в виде графика. Предположим, объектом электроснабжения является фермерская усадьба, примерный график мощности потребляемой электроэнергии которой приведен на рис. 1 [3, 4]. Этот график типичен для фермерских хозяйств Ростовской области, где фермеры занимаются, в основном, растениеводством, арендуя производственные мощности на более крупных аграрных предприятиях, а на фермерских усадьбах преобладает бытовая нагрузка. В то же время на фермерской усадьбе фермеры и их семьи находятся с апреля по октябрь практически непрерывно, что требует надежного электроснабжения.

Рис. 1. Примерный график нагрузки фермерской усадьбы:

1 - избыток энергии; 2 - дефицит энергии

автономный солнечный электростанция аккумулятор

Если мощность источника электроэнергии (электростанции) постоянна, то при аккумулировании энергии в периоды провалов генерируемую мощность можно выбрать из условия [3]:

?(NИ- NПj) tjзA = ?( NПi - NИ) ti (1),

где: NИ -мощность источника электроэнергии, кВт;

NПj - мощность потребителя в j-тый период, не превышающая мощность источника электроэнергии, кВт;

NПi- мощность потребителя в i-тый период, превышающая мощность источника электроэнергии, кВт;

tj- продолжительность j-того периода, час;

ti- продолжительность i-того периода, час;

зA - КПД аккумулятора электроэнергии.

В уравнении (1) описывается баланс энергии. Здесь левая часть - это избыточная (невостребованная) электроэнергия, которую можно запасти в электрохимическом аккумуляторе, а впоследствии использовать для электроснабжения потребителей при недостатке солнечной энергии.

Уравнение (1) содержит только одну неизвестную, и его решение относительно генерируемой мощности не представляет трудностей. На рис. 1 показан пример графического решения этого уравнения для приведенной нагрузки для летних месяцев без учета КПД аккумулирования и возможных преобразований (все это легко учитывается, но усложняет рассуждения).

Приведенный пример предназначен только лишь для иллюстрации рассуждений, и мощность источника электрической энергии в этом случае должна быть не менее 0,9 кВт.

При выборе площади батареи ФЭП задача усложняется. Здесь необходимо учитывать, что фотоэлектрические преобразователи в течение суток генерируют электроэнергию переменной мощности, так как переменной является интенсивность солнечного излучения. Меняя площадь батареи фотоэлектрических преобразователей, можно изменять и генерируемую мощность, которая все же будет зависеть от времени суток и состояния атмосферы, то есть оставаться переменной [1, 3, 8].

Минимальное значение мощности солнечной электростанции на фотоэлектрических преобразователях при этом можно определить из нестрогого неравенства (2) [3, 8]:

?(NФj - NПj) t1jзA ? ?( NПi - NФi) t2i (2),

где: NФ - мощность батареи ФЭП, кВт;

NП - мощность потребителя, кВт;

индекс j обозначает периоды, в течение которых мощность батареи ФЭП превышает мощность потребителя электроэнергии;

индекс i обозначает периоды, в течение которых мощность потребителя электроэнергии превышает мощность батареи ФЭП.

Мощность электроэнергии, выдаваемой фотоэлектрическим преобразователем, определяется из известного условия (3) [6, 8].

NФ = NСFФзФ (3)

С учетом этого, уравнение (2) можно записать в следующем виде (4) [3]:

?(NСjFФзФ - N1j) t1jзA = ?(N2i - NСiFФзФ) t2i (4)

Здесь: NС - интенсивность солнечного излучения, кВт/м2;

FФ - площадь батареи фотоэлектрических преобразователей, м2;

зФ - КПД батареи фотоэлектрических преобразователей.

Так как мощность батареи фотоэлектрических преобразователей зависит от их площади, то, изменяя площадь ФЭП, можно регулировать избыток энергии (который можно аккумулировать) и дефицит энергии (который можно восполнять аккумулированным запасом энергии). Это утверждение иллюстрируется рис. 2.

Рис. 2. Зависимость мощности солнечной электростанции от площади фотоэлектрических преобразователей

Построив функции изменения левой и правой частей уравнения (4) от площади фотоэлектрических преобразователей [3], можно определить достаточную площадь батареи ФЭП. Решением будет площадь фотоэлектрических преобразователей, соответствующая точке пересечения этих функций, то есть равенство избытка генерируемой электроэнергии батареей ФЭП и дефицита электроэнергии, восполняемого за счет аккумуляторных батарей. На рис. 3 показан пример такого решения для прежней нагрузки, график которой приведен на рис. 1. Батарея фотоэлектрических преобразователей, имеющая такую площадь, будет способна обеспечить приведенный в примере объект электроснабжения электроэнергией в летнее время примерно в течение 2000 часов.

Это минимально возможная площадь фотоэлектрических преобразователей, обеспечивающая устойчивое электроснабжение при стабильном поступлении солнечной энергии. Так как факторы, влияющие на выбор площади фотоэлектрических преобразователей (интенсивность солнечного излучения, потребление электроэнергии), являются случайными величинами, то, с учетом неизбежного отклонения расчетных данных от фактических, площадь фотоэлектрических преобразователей рекомендуется увеличить на 10-15 %. Кратность увеличения будет определяться в каждом конкретном случае в зависимости от требований потребителя (от требуемой надежности электроснабжения).

Рис. 3. Решение уравнения (4) при вероятности энергообеспечения 0,9:

1 - левая часть, 2 - правая часть

Емкость аккумуляторов при такой площади батареи фотоэлектрических преобразователей можно определить из следующего соотношения, вытекающего из уравнения (4):

(5)

где: СА - электрическая емкость аккумуляторной батареи, А.ч.;

UН - номинальное напряжение потребителя, В.

Таким образом, для данного примера практически потребуется площадь батареи ФЭП размерами 3 х 5 м2.

Список использованных источников

1 Баранов Н.Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии: уч. пособие для вузов. - М.: Издательский дом МЭИ. - 2012. - 384 с.

2 Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцева В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения / под ред. Ж.И.Алферова. - Л.: Наука. - 1989. - 310 с.

3 Воронин С.М. Формирование автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов на возобновляемых источниках энергии: монография. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА. - 2010. - 304 с.

4 Воронин С.М., Цыганов В.В. Актуальные задачи автономного применения солнечных электростанций // Материалы 11-й международной научно-практической конференции, «Achievementofhighschool». Том 14. Технологии. Математика. Физика. Современные информационные технологии. - 2015, №4. - С. 112.

5 Безруких П.П., Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: методология, ресурсы, технологии. - М.: ГНУ ВИЭСХ. - 2005. -264 с.

6 Виссарионов В.И., Дерюкин Г.В., Кузнецов В.А. и др. Солнечная энергетика. - М.: Издательский дом МЭИ. - 2011. - 276 с.

7 Шпильрайн Э.Э. Экологические аспекты применения возобновляемых источников энергии для децентрализованного энергоснабжения // Перспективы энергетики. - 2003, т. 6, - С 299 - 306.

8 Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей, пер. с англ. под ред. Колтуна М.М. - М.: - 1983. - 360 с.

9 Овсянников Е.М., Пшеничный В.Б., Аббасов Э.М. Экономический эффект в результате перехода к пошаговому режиму слежения гелиоустановки за Солнцем // Промышленная энергетика. - 2007, №9. - С. 51-53.

10 Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. - М.: Энергоатомиздат. - 1991. - 264 с.

Цитирование:

Воронин С.М., Жогалев А.П., Цыганов В.В. Обоснование площади батареи фотоэлектрических преобразователей для автономной электростанции // АгроЭкоИнфо. - 2017, №1. http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2017/1/st_113.doc.

Размещено на Allbest.ru