Технические науки/ 5.Энергетика
Азово Черноморский
институт ФГБОУ ВПО ДОНГАУ в г.Зерноград
Солнечная энергетика, является перспективным заменителем топливной
энергетики на ископаемых ресурсах. Учитывая низкую плотность солнечного
излучения на поверхность Земли, наиболее эффективными будут автономные
солнечные электростанции, предназначенные для электроснабжения удаленных
небольших объектов. Такие объекты характерны для аграрного сектора России, это
фермерские усадьбы, домики рыбака, передвижные пасеки и т.д.
Солнечное излучение преобразуется в электрическую энергию постоянного тока фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП). Достоинства такого генерирования общеизвестны[1].
Однако применение электрогенерирующих объектов на основе фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии в настоящее время сдерживается по ряду причин, основной из которых является нерегулярность солнечного излучения, и его зависимость не только от времени суток и сезона, но и от состояния атмосферы.Фотоэлектрические преобразователи работают днем, а также в утренние и вечерние сумерки (с меньшей эффективностью). При этом пик электропотребления может приходиться именно на вечерние часы. Кроме этого, производимая электроэнергия может резко и неожиданно колебаться из-за изменений погоды. Для преодоления этих недостатков на солнечных электростанциях используютдублирующие топливные электростанции и эффективные электрические аккумуляторы [2].
Аккумуляторы делятся на несколько видов: электрические, магнитные, механические, тепловые, световые. В соответствии с принципом минимизации трансформирования энергии в автономных солнечных электростанциях, целесообразно применять электрохимические аккумуляторы. Структурная схема автономных фотоэлектрических станций (ФЭС) сэлектрохимическими аккумуляторнымибатареями (АБ) приведена на рисунке 1. Вся необходимая нагрузка должна покрываться ФЭП (в моменты времени, когда её мощности достаточно) и АБ (в пасмурную погоду, ночью, и т.д.). Применение такого рода автономных фотоэлектрических станций ограничено случаями, когда общий суточный объём потребляемой энергии относительно небольшой. Возрастание мощности электроприемников ведет кувеличению площади фотоэлектрических преобразователей и емкости аккумуляторных батарей, что увеличивает стоимость автономной электростанции.
ФЭП – фотоэлектрический преобразователь, КЗ - контроллер заряда, АБ -
аккумуляторная батарея, И – инвертор, РУ – распределительное устройство, П –
потребитель
Рисунок 1–Структурная
схема фотоэлектрической станции с аккумулирования энергии
На рисунке 2 изображена структурная схема, в которой топливная электростанция является дублирующей. При недостаточной интенсивности солнечного излучения, ФЭП не сможет покрыть максимальную нагрузку (рисунок 3). Следовательно, топливную электростанцию предстоит выбирать по максимальной нагрузки, что является не эффективно, так как при малых нагрузках топливная электростанция будет работать с весьма низким КПД.
ТЭ – топливная электростанция, И – инвертор, РУ –
распределительное устройство, П – потребитель
Рисунок 2
– Структурная схема ФЭС и дублирующей топливной электростанции
Рисунок 3
– Примерный график нагрузки фермерской усадьбы (весна – осень)
С целью повышения эффективности энергоснабжения в схему добавляется аккумуляторная батарея (рисунок 4). Как было сказано выше, использование схемы ФЭП и АБ,оправдано при малых нагрузках. Топливная электростанция будет работать при максимальных и близких к максимальным нагрузках, когда мощности ФЭП и АБ будет не достаточно. Данный факт позволит уменьшить мощность ТЭ, повысить коэффициент ее загрузки, что приведет к повышению КПД и экономии топлива.
Рисунок 4 – Комбинированная схема ФЭС с
топливной электростанцией и аккумуляторной батареей
При создание предложенной комбинированной электростанции неизбежно возникнут вопросы выбора и обоснования параметров ее элементов (площади ФЭП, мощности ТЭ и емкости АБ). Параметры элементов комбинированной автономной фотоэлектрической станции определяются, как минимум двумя независимыми факторами – графиком нагрузки и интенсивностью солнечного излучения. Эти факторы представляют собой случайные величины, характеризующиеся соответствующими законами распределения и соответствующими статистическими характеристиками. Такую информацию можно получить на основе анализа литературных источников, например [1, 3]. Однако остаются задачи оптимизации параметров ФЭП, ТЭ и АБ, так как удовлетворить потребности в электроэнергии автономного объекта возможно при различных их сочетаниях, включая и нулевые состояния (полное исключение некоторых составных элементов автономной ФЭС). Неразрешенными вопросами на данном этапе при этом остаются вопросы выбора аппаратного оборудования (инвертор, распределительное устройство и т.д.).
Очевидно, что критерием оптимальности будут технико-экономические показатели – стоимость электроэнергии и надежность электроснабжения.
Методика оптимизации комбинированной электростанции на основе ФЭП, топливной электростанции и аккумуляторной батареи, не выявлена. Создание данной методики, является актуальной задачей, так как позволит наиболее эффективно с технико-экономической точки зрения использовать преимущества солнечного излучения для генерирования электроэнергии.
Литература
1. Воронин С.М. Формирование автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов на возобновляемых источниках энергии: монография / С.М. Воронин. – Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2010. – 304 с.
2. Саврасов, Ф.В. Варианты построения автономных систем электроснабжения с использованием фотоэлектрических устройств и алгоритмы их работы / Ф.В. Саврасов // Науковедение [в печати].
3. Винников А.В., Денисенко Е.А., Долбенко Д.В. К вопросувыборасолнечнойфотоэлектрическойстанции. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2015. №108(04). С. 4–10.