Энергокомплекс для водоснабжения потребителей на основе солнечных преобразователей в климатических условиях Ирака тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.01, кандидат наук Ибрахим Ахмед Халид Ибрахим

• Ибрахим Ахмед Халид Ибрахим
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Ибрахим Ахмед Халид Ибрахим

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.1 Солнечная энергия

1.1.1 Традиционное использование фотопреобразователей

1.1.2 Солнечные энергоустановки

1.1.3 Солнечный бойлер

1.1.4 Солнечные энергоустановки для республики Ирак

1.2 Анализ существующих технологий в водоснабжении

1.2.1 Наиболее распространенные системы водоснабжения и их недостатки

1.2.2 Система водоснабжения без водонапорной башни

1.2.3 Система водоснабжения с водонапорной башней

1.2.4 Недостатки водонапорных башен

1.2.5 Система водоснабжения с насосами второго подъема и запасом воды в незамерзающих резервуарах

1.2.6 Недостатки действующих водозаборов второго подъема

1.3 Использование альтернативных источников энергии в системах водоснабжения

1.3.1 Тепловой паровакуумный насос

1.3.2 Насос Мушо

1.3.3 Солнечный насос по принципу поршневого двигателя с циклом Ренкина

1.4 Обзор солнечной радиации в Ираке

1.5 Постановка задачи по диссертационному исследованию

1.6 Выводы по 1 главе

ГЛАВА 2. НАСОСНЫЕ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ, РАБОТАЮЩИЕ НА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЯХ В УСЛОВИЯХ ИРАКА

2.1 Введение

2.2 Суточная потребность в воде

2.3 Объем резервуара для хранения

2.4 Характеристики фотопреобразователей

2.4.1 Типы солнечных элементов

2.4.2 Характеристики фотопреобразователей

2.4.3 Подключение солнечных панелей последовательно

2.4.4 Подключение солнечных панелей параллельно

2.4.5 Точки максимальной мощности

2.4.6 Влияние температуры на работу фотопреобразователей

2.5 Фотоэлектрические насосы

2.5.1 Водяные насосы, работающие на фотоэлектрических элементах

2.5.2 Виды фотоэлектрических насосных систем

2.6 Требуемые характеристики насоса

2.7 Расход водыи мощность насоса

2.8 Выводы по главе

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ В УСЛОВИЯХ ИРАКА

3.1 Введение

3.2 Солнечная энергия в Ираке и арабском регионе

3.3 Анализ солнечной радиации в условиях Ирака, г. Ростова-на-Дону и г.

Москва (Россия)

3.4 Углы поступления солнечной энергии на поверхность земли

3.5 Расчет суточной солнечной энергии

3.6 Результаты расчета солнечной радиации по компьютерной программе

3.7 Оптимальные углы наклона панелей

3.8 Солнечная радиация при оптимальных углах наклона панелей

3.9 Выводы по главе

ГЛАВА 4. РАСЧЕТЫ ПАНЕЛЕЙ СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

4.1 Электроэнергия, произведенная из солнечных панелей в разные месяцы года

4.2 Расчет количества панелей солнечной радиации для различных нагрузок и

различных регионов

4.3 Экономические затраты на установку солнечных панелей

4.4 Выводы по главе

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

5.1 Экспериментальная установка и программа исследований, проведенных на

ней

5.1.1 Солнечные панели

5.1.2 Насос

5.1.3 Измерительные приборы, используемые при проведении

экспериментальных исследований

5.1.4 Результаты измерений

5.2 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Значения среднемесячной дневной температуры, °С

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Среднемесячные значения относительной влажности (%)

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Количество часов действия солнечной радиации ч

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Блок схемы компьютерной программы

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Копии сертификатов

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Копии документов о внедрении результатов диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергокомплекс для водоснабжения потребителей на основе солнечных преобразователей в климатических условиях Ирака»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность избранной темы. Энергетика в настоящее время находится в той стадии, когда все в большей степени становятся востребованными нетрадиционные энергетические технологии (возобновляемые источники энергии). Это связано с тем, что природные ресурсы, основанные на использовании органических веществ, таких как уголь, нефть и природный газ, истощаются. В то же время существует практически не истощаемый источник энергии. Это, прежде всего, солнечная энергия.

Республика Ирак находится в том поясе Земли, где солнечная активность максимальная. Таким образом, здесь складываются наиболее благоприятные условия для использования энергоустановок на базе преобразования солнечной радиации. Всё вышесказанное определяет актуальность данного исследования.

Степень разработанности темы. Впервые об использовании солнечной радиации в фотоэлементах было заявлено французским физиком Беккерелем в 1839 году. Однако применение первого фотоэлемента было отмечено только в 1883 году Чарльзом Фритцем. Эффективность этого устройства составляло всего около 1%. В 1888 году русский физик А. Столетов создал первую ячейку на основе внешнего фотоэффекта, который был открыт Генрихом Герцем в 1887 г. Рассел Уль в 1941 году получил патент на полупроводники на основе керамики, которые используются в современных солнечных батареях. Освоение современных фотоэлементов было начато в 1954 году в лаборатории Белла. В 1965 году было первое практическое применение усовершенствованных арсенид-галлиевых солнечных батарей для энергетических целей. Они обеспечивали электроснабжение советских космических аппаратов. Российскими учеными была разработана технология фотопреобразователей с двусторонней чувствительностью. Стоимость электроэнергии за один Вт.час в этом случае была снижена до 100 долларов США. До этого момента все спутники были оснащены солнечными батареями, изготовленными на основе кремния. КПД их достиг 10 % и примерно два десятилетия держался на этом уровне. В 1989 была разработана специальная технология производства солнечных фотоэлементов наземного

применения. В Краснодарском крае была построена «солнечная деревня» мощностью 40 кВт. В 1995 году стоимость за один Вт.час солнечной электроэнергии снизилась до 15 долларов США. Во всех развитых странах начались усиленные разработки в области солнечной электроэнергетики. Основной целью этих работ было снижение стоимости производства электричества от солнечных панелей. К этому моменту КПД солнечных фотоэлементов удалось поднять до 15%. В научном центре Цукуба (Япония) к 2007 году создана крупнейшая солнечная электростанция, способная бесперебойно обеспечивать электричеством 300 семей в год.

Солнечная фотопреобразовательная система может использовать альтернативный и экологически чистый источник энергии, позволяющий предотвратить выброс в атмосферу каких-либо вредных веществ. В настоящее время работы по солнечным преобразователям продолжают компании Эксон, Арко, Шелл, Амоко, Мобил и др.

Географическое положение и климат Ирака дают возможность для использования ресурсов солнечной радиации. Работы по их применению в Ираке находятся в начальной стадии как для использования на крупных энергоустановках, так и для малых автономных потребителей. Настоящая работа посвящена практическому применению солнечных энергетических установок для водоснабжения потребителей в климатических условиях Ирака. В диссертации определены возможности солнечной радиации в регионе; разработаны варианты схем солнечных энергоустановок; даны рекомендации по применению и регулированию процессов энергоснабжения.

Цель работы: Разработка энергокомплекса для автономного водоснабжения потребителей в климатических условиях Ирака на базе фотоэлектрических преобразователей энергии.

Задачи исследования: - проведение системного анализа существующей в настоящее время информации по солнечным энергоустановкам и характеристикам солнечной радиации в климатической зоне Ирака;

- анализ солнечного излучения (солнечной радиации) в различных регионах и широтах (Ирак, г. Ростов-на-Дону, г. Москва);

- создание эффективного алгоритма для использования солнечной радиации и проектирования энергоустановок в условиях регионального климата Ирака;

- разработка технических решений по использованию солнечной энергии для производства электроэнергии и водоснабжения в различных регионах Ирака.

Научная новизна работы:

1. Разработан метод математического расчета суточной почасовой солнечной радиации для каждого месяца года и количества солнечных панелей с учетом прямой и рассеянной солнечной радиации в климатических условиях Ирака, их наклона к уровню горизонта и требований водоснабжения. Данный метод отличается от известных ранее тем, что учитывает особенности конструкции солнечных батарей и определяет количество электроэнергии, произведенной ими для потребностей водоснабжения.

2. Определены оптимальные углы наклона панелей для всех регионов Ирака. Например, для центрального региона максимальные солнечные излучения можно

о

получать при практически неизменяющемся угле наклона, равном 60 в период с 15 ноября по 15 января. Но в период с 15 января по 15 мая наклон панелей

о о о о

изменяется от 60 до 0 , а с 15 июля до 15 ноября возрастает от 0 до 60 .

3. Разработаны технологическая схема и режимы работы солнечной системы водоснабжения потребителей, учитывающие, то, что максимальная солнечная активность совпадает с наибольшей потребностью в водоснабжении, что позволяет солнечные энергокомплексы активно использовать для водоснабжения в световой день летнего периода в климатических условиях, практически всех регионов Ирака, не имеющих центральных электрических сетей.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- разработана компьютерная программа для расчета суточной почасовой солнечной радиации для различных регионов Ирака и для каждого месяца года;

- решена задача расчета и применения солнечных панелей для автономного

водоснабжения потребителей в условиях Ирака;

- разработана энергетическая система водоснабжения с использованием солнечной энергии для отдаленных районов, не имеющих центральных электрических сетей;

- предложенные методические разработки по расчету солнечных панелей для солнечных энергоустановок рекомендуется использовать в организациях, занимающихся проектированием и их установкой.

Методология и методы диссертационного исследования: В работе проведен анализ информации по вопросу исследований; выявлены проблемы; поставлена задача на исследование; проведены теоретические исследования; создана опытная установка, на которой проведены эксперименты по исследованию процессов в энергоустановках для водоснабжения; даны рекомендации по расчетам величин солнечной радиации в климатических условиях Ирака.

В работе над диссертацией использовались теоретические методы с разработкой математического моделирования по определению почасовой солнечной радиации в течение года и экспериментальные, проводимые на опытной энергоустановке.

Положения, выносимые на защиту:

- метод математического расчета суточной почасовой солнечной радиации для каждого месяца года и количества солнечных панелей с учетом прямой и рассеянной солнечной радиации в климатических условиях Ирака;

- новые технические решения по применению солнечных энергоустановок для водоснабжения и орошения в условиях Ирака;

- определение оптимальных углов наклона солнечных панелей для всех регионов Ирака;

- компьютерная программа для расчета солнечного излучения и количества фотопреобразователей в различных регионах Ирака и России.

Степень достоверности исследования: Обеспечивается применением передовых компьютерных средств, численного моделирования на базе апробированных математических моделей, широко используемых в

вычислительных задачах, и хорошим соответствием получаемых результатов с экспериментальными данными. Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается корректностью допущений математических моделей, с применением современных вычислительных средств (Microsoft Excel, Grapher, Microsoft Visual Basic 6.0, Statistica 10, AutoCAD 2010,). Адекватность математических моделей подтверждается удовлетворительным совпадением их результатов с экспериментальными данными в широком диапазоне изменения характерных параметров.

Реализация результатов исследования:

Результаты диссертационной работы получили внедрение:

- в университете Мосул по практическому использованию результатов работы (имеется акт внедрения);

- в Министерстве водных ресурсов Ирака - при проектировании водо- и электроснабжения в г. Мосул (имеется акт внедрения);

- на курсах дисциплин «Нетрадиционная энергетика» и «Природоохранные технологии в энергетике», проводимых для студентов и бакалавров в ЮРГПУ (НПИ) на кафедре ТЭСиТ (имеется акт внедрения).

Апробация работы: Основные результаты научных исследований докладывались:

- на II Международной научной конференции «Наука. Образование. Культура. Вклад молодых исследователей», ЮРГПУ (НПИ), Новочеркасск, 2013;

- на Региональной научно-технической конференции «Студенческая научная весна - 2014», ЮРГПУ (НПИ), Новочеркасск, 2014;

- на XII Международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими», ЮРГПУ (НПИ), Новочеркасск, 2014;

- на Региональной научно-технической конференции «Студенческая научная весна - 2015», ЮРГПУ (НПИ), Новочеркасск, 2015;

- на XXXVII Международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы технических наук», Москва, 2015.

Личный вклад автора состоит:

- в проведении системного анализа существующей в настоящее время информации о солнечных энергоустановках, в том числе в условиях Ирака и России;

- в разработке компьютерных программ расчета характеристик солнечной радиации и солнечных энергоустановок в условиях Ирака;

- в создании экспериментального стенда и проведении исследований с насосами водоснабжения, работающими на солнечной энергии.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 5 в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы и ее структура: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и 6 приложений. Содержит 167 страниц, 94 иллюстрации, 19 таблиц. Список используемых источников включает 108 наименований.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

СЭС - Солнечная электростанция СФЭУ - Солнечные фотоэлектрические установки СУЭ - Солнечные электрические установки СВУ - Солнечные водонагревательные установки СИ - Солнечное излучение

ПСС - Продолжительность светового дня (солнечного света)

МРЭ - Мировой радиометрический эталон

ВМО - Всемирная метеорологическая организация

СУЗ - Станции управления и защиты

ЭКМ - Электроконтактные манометры

ТПВН - Тепловой паровакуумный насос

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

1.1 Солнечная энергия

1.1.1 Традиционное использование фотопреобразователей

Один из самых привлекательных способов использования солнечной энергии — непосредственное превращение ее в электрическую энергию в полупроводниковых фотопреобразователях (солнечных батареях). Они экологически чисты, долговечны, просты в эксплуатации, совершенно автономны, не связаны с подведением коммуникаций и могут давать электроэнергию практически в любом месте. Все это делает солнечные батареи незаменимыми для питания отдельных относительно маломощных потребителей — осветительных приборов, речных бакенов, маяков, различных устройств связи в редконаселенной местности.

Преобразование солнечной энергии есть важнейшее направление нетрадиционной энергетики [1]. Следует отметить, что солнечная энергия является доступной и экологически чистой энергией. При этом преобразование солнечной энергии не всегда целесообразно, так как солнечные преобразователи являются дорогостоящими элементами. Снижение себестоимости и повышение электрических характеристик является актуальной проблемой на сегодняшний день.

Для получения солнечной энергии переменного тока очень эффективен фотоэлектрический метод преобразования [2], где используются солнечные батареи, которые называются фотопреобразователями. За последние годы разработаны фотопреобразователи, у которых существенно возросли электрические характеристики и КПД, в частности можно отметить солнечный модуль АСЕ-50, разработанный фирмой «Ветроэнергетика» [3]. Модуль содержит 36 монокристаллических силиконовых солнечных клеток. Фронтальная поверхность модуля покрыта высокопрозрачным закаленным стеклом для защиты от механических и климатических воздействий. Один модуль площадью 0,4814 м2

(1,042 х 0,462 м.) преобразует солнечную энергию в электрическую с напряжением 17 В и током 2,88 А.

Известно множество различных схем преобразования постоянного тока в переменный промышленной частоты [4]. Анализ этих схем показывает, что для преобразования постоянного в переменный ток эффективнее использовать ступенчатое преобразование. Если использовать модули АСЕ-50 для преобразования солнечной энергии, то можно создать схему из последовательно соединенных (п) солнечных модулей, которые будут вырабатывать в п-раз больше напряжение, а параллельно соединенные (т) солнечных модули дает возможность получать в т-раз больше тока. В системе будет задействовано (т х п) солнечных модулей.

Прогнозируется, что к 2030 году установленная мощность солнечных энергетических систем (СЭС), использующих фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии, увеличится в мире до 300 гВт [5].

Использование всего лишь 0,0125% количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5 % - полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока

Л

солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м . Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества, нужно разместить их на

Л

территории 130 000 км . Необходимость использовать коллекторы огромных размеров влечет за собой значительные материальные затраты.

Солнечные батареи используют в качестве источников энергии в электронных часах, микрокалькуляторах, транзисторных приемниках и переносных телевизорах. Наконец, эти батареи найдут широкое применение в сельском хозяйстве, прежде всего в тех районах, где нужно снабжать энергией

большую территорию с малой плотностью нагрузок (несколько киловатт на квадратный километр). При таких условиях затраты на сооружение распределительных сетей составляют до 70% от общих затрат на энергоснабжение, и поэтому выгоднее применять (особенно если они относительно дешевы) автономные источники энергии.

Электростанции с бензиновыми и дизельными двигателями не всегда эффективны, так как требуют периодической доставки горючего в отдаленные и труднодоступные районы, и поэтому уже сегодня фотопреобразователи могут успешно конкурировать с ними. Они эффективны, в частности в системах ирригации и водоснабжения, где задача аккумулирования энергии решается очень просто — созданием запаса воды. Однако солнечных батарей пока производится недостаточно.

Рост их производства сдерживается в первую очередь из-за высокой стоимости готового фотопреобразователя, значительную часть которой (больше половины) составляет стоимость заготовки из полупроводникового кремния. Кремний — самый распространенный элемент на земле после кислорода, причем имеются месторождения кварцевого песка очень высокой чистоты, извлекать из которого кристаллический кремний можно без особого труда. Но для производства солнечных батарей требуются тонкие пластины кремния, а их получить сложно. Современная технология изготовления кремниевых пластин включает резку цилиндрического кристалла на диски, их последующую шлифовку и полировку, раскрой на заготовки для фотопреобразователей [6].

Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относятся к 80-м годам прошлого столетия. Крупнейших успехов в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт. Также в Калифорнии, в 1994 году введено еще 480 МВт электрической мощности, причем стоимость 1 кВт/ч энергии - 7-8 центов. Это ниже, чем на традиционных станциях. В ночные часы и зимой энергию дает в основном газ, а летом и в дневные часы - солнце. Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что

газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве партнера солнечной энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива. Наиболее вероятной «кандидатурой» является водород. Его получение с использованием солнечной энергии, например, путем электролиза воды может быть достаточно дешевым, а сам газ, обладающий высокой теплотворной способностью, легко транспортировать и длительно хранить. Отсюда вывод: наиболее экономичная возможность использования солнечной энергии, которая просматривается сегодня - направлять ее для получения вторичных видов энергии в солнечных районах земного шара, в частности и в Ираке. Полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие районы. Быстрое развитие гелиоэнергетики стало возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователей в расчете на один ватт установленной мощности с 1000 долларов в 1970 году до 3 - 5 долларов в 1997 году и повышению их КПД с 5 до 18%. Уменьшение стоимости солнечного ватта до 50 центов позволит гелиоустановкам конкурировать с другими автономными источниками энергии, например, с дизельэлектростанциями.

1.1.2 Солнечные энергоустановки

Одним из лидеров, использующим на практике энергию Солнца, стала Швейцария. В стране построено примерно 2600 установок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии. Так называемая программа «Солар-91», осуществляющая свою деятельность под лозунгом «За энергонезависимую Швейцарию», - это решение экологических проблем и борьба за энергетическую независимость страны импортирующей сегодня более 70 процентов энергии.

Это программа осуществляется в основном за счет добровольных усилий, средств отдельных граждан, предпринимателей, муниципалитетов и практически без поддержки государственного бюджета. В 2000 году количество солнечных установок достигла 3000. Чаще всего установку на кремниевых

фотопреобразователях, мощностью 2-3 кВт, монтируют на крышах и фасадах зданий. Она занимает преблизительно 20-30 квадратных метров. В год такая установка вырабатывает 2000 кВт/час электроэнергии, этого достаточно для зарядки бортовых аккумуляторов электромобиля и для обеспечения бытовых нужд среднего швейцарского дома. В летнюю пору дневной избыток энергии направляют для общего пользования в электрическую сеть. В зимнее время года энергия, особенно в ночные часы, может быть возвращена владельцу установки совершенно бесплатно [7].

На крышах производственных корпусов крупные фирмы устанавливают станции на фотопреобразователях мощностью до 300 кВт. Потребности предприятия в энергии одна такая станция может покрыть на 50 - 70%.

Когда нерентабельно прокладывать линии электропередач, например, в районах альпийского высокогорья, строятся автономные гелиоустановки с аккумуляторами. Поэтому в такой стране, как Ирак в более солнечных районах, установки фотопреобразователей будут рентабельны.

Как показывает опыт эксплуатации, Солнце уже может обеспечить энергией, как минимум, все жилые здания.

При размещении на крышах и стенах зданий, на транспортных и промышленных сооружениях, на шумозащитных ограждениях автодорог, фотопреобразователи не требуют дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории.

Так у поселка Гримзель (Швейцария) автономная солнечная установка дает электроэнергию, которая освещает автодорожный тоннель круглосуточно. Солнечные панели, смонтированные на 700-метровом участке шумозащитного ограждения около города Шур, ежегодно дают 100 кВт.ч. электроэнергии. Установленные по заказу фирмы Вка1 на крыше ее производственного корпуса в Мюнзингене солнечные панели мощностью 320 кВт практически полностью покрывают на предприятии технологические потребности в электроэнергии и тепле.

Современная концепция использования солнечной энергии четко продемонстрирована при строительстве завода оконного стекла в Арисдорфе, где солнечные панели, мощностью 50 кВт, второстепенно служили элементами перекрытия и оформления фасада.

При сильном нагреве КПД кремниевых фотопреобразователей сильно снижается. В связи с этим положены под солнечными панелями вентиляционные трубопроводы для прокачки наружного воздуха. Нагретый воздух работает как теплоноситель коллекторных устройств. Так на южном и западном фасадах административного корпуса, отдавая в сеть 9 кВт электроэнергии, темно-синие, искрящиеся на солнце фотопреобразователи, выполняют роль декоративной облицовки.

На состоявшемся в 1989 году, в пятом, по счету, «солнечном ралли», уже участвовало свыше 100 представителей из Англии , ФРГ, США, Франции, Австрии и других стран. Но при этом, все равно больше половины автомобилей принадлежало швейцарским первопроходцам. Понятие серийный электромобиль появилось в течение последующих пяти лет [8].

Также в освоении солнечной энергии существуют и другие направления. Одно из важнейших - это использование способности растений выполнять фотосинтез. В лабораторных условиях созданы фотобиохимические системы, в которых энергия света используется для переноса электронов. Но в лабораториях они успешно работают. Электроны являются моделью эффективных преобразователей будущего,которые используют принципы естественного фотосинтеза [9].

При решении вопросов «экономичности» солнечной энергетики нельзя углубляться в распространенное заблуждение: сравнивать дорогостоящую, но при этом молодую технологию преобразования энергии Солнца в электричество с помощью фотоэлементов, с дешевой, но «грязной» технологией использования нефти и газа. Экономичность энергетических ресурсов должна сравниваться с теми видами энергии, которые будут использоваться в будущем в тех же масштабах [10].

Как показывают расчеты, стоимость широкого производства синтетического жидкого топлива, используя солнечную энергию, будет равняться 60 долларам за баррель.

На уровне моря интенсивность солнечного света составляет 1-3 кВт на квадратный метр. КПД лучших солнечных батарей составляет 12-18 %. Учитывая КПД преобразования энергии солнечных лучей при помощи фотопреобразователей, возможно получить из одного квадратного метра не более 0,2 кВт мощности.

В умеренных широтах, как показывает опыт использования солнечной энергии, выгоднее накапливать и использовать в виде тепла. Для Аляски и севера Канады уже разработаны проектные предложения.

В развитии солнечной энергетики существует два основных направления. Первое - решение вопросов снабжения энергией и второе - это создание солнечных преобразователей, рассчитанных на реализацию определенных локальных задач. Эти преобразователи разделются на две группы: высокотемпературные и низкотемпературные.

В преобразователях первого типа потоки солнечных лучей скапливаются на небольшом участке, температура которого поднимется до 3000°С. Такие установки уже существуют и используются для плавки металлов.

Большинство солнечных преобразователей работает при намного меньших температурах - порядка 100-200°С. С помощью них подогревают воду, обессоливают ее и поднимают из колодцев. Скопленным солнечным теплом сушат фрукты, овощи, а также замораживают продукты. В солнечных кухнях готовят пищу. Если энергию солнца накапливать , то можно обогревать дома и теплицы в ночное время.

Такие солнечные установки,можно сказать, не требуют эксплуатационных расходов и не нуждаются в ремонте, а затраты требуются лишь на их сооружение и поддержание в чистоте. Работать они могут бесконечно.

Солнечные лучи можно сфокусировать с помощью вогнутого зеркала,которое является основной частью гелиоконцентратора - прибора, в

котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. если поместить в фокус зеркала трубу с водой, то она нагреется. В этом принцип действия солнечных преобразователей прямого действия.

В южных широтах их можно использовать наиболее эффективно. В установках используются либо традиционные стеклянные зеркала, либо из полированного алюминия.Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения имеют форму:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ибрахим Ахмед Халид Ибрахим, 2016 год

X -

♦ -

й

256 128 64 32 16 8 4 2 1

к п

О)

£ С

О)

3 К

О)

К

п о о

о «

н о

О)

к п

3

25

30

35

50

55

60

40 45 Широта

Рисунок 4.10 - Солнечная радиация 15 мая, кВт-ч/м сутки, и количество солнечных панелей, которые требуются при различных нагрузках для трех регионов Ирака, г. Ростова-на-Дону и г. Москвы Сравнивая характеристики солнечной радиации по данным на 15 июля, как показано на рисунке 4.11, для различных широт можно отметить следующее: 1- Ежемесячная средняя Солнечная радиация:

- для южного Ирака 6.7 кВт-ч/м сутки;

- для центрального Ирака 6.5 кВт-ч/м сутки;

- для северного Ирака 6.4 кВт-ч/м сутки;

- для г. Ростов-на-Дону 5.5 кВт-ч/м сутки;

- для г. Москвы 5.3 кВт-ч/м сутки.

2- Количество солнечных панелей требуется в зависимости от различных нагрузок 1,10 и100 кВт:

- для южного региона Ирака 1, 10 и 96 панелей;

- для центрального региона Ирака 1, 10 и 98 панелей;

- для северного региона Ирака 1, 10 и 100 панелей;

- для г. Ростова-на-Дону 2, 11 и 116 панелей;

- для г. Москвы 2, 13 и 122 панелей.

7.0

к и

н

^

о

5 >

15 Июля

256

Сол. Рад. 1 кВт 10 кВт 100 кВт

6.5

ЬЧ К

I 6.0

то

к

£ ср

ЕГ (и К

ч о О

5.5

5.0

25

30

35

50

55

60

40 45 Широта

Рисунок 4.11 - Солнечная радиация 15 июля, кВт-ч/м сутки, и количество солнечных панелей, которые требуются при различных нагрузках для трех регионов Ирака, Ростова-на-Дону и Москвы Сравнивая характеристики солнечной радиации по данным на 15 сентября, как показано на рисунке 4.12, для различных широт можно отметить следующее:

1- Ежемесячная средняя солнечная радиация:

2

- для южного Ирака 6 кВт- ч/м сутки;

- для центрального Ирака 5.3 кВт-ч/м сутки;

- для северного Ирака 4.9 кВт-ч/м сутки;

- для г. Ростов-на-Дону 3.6 кВт-ч/м сутки;

- для г. Москвы 2.4 кВт-ч/м сутки.

2- Количество солнечных панелей в зависимости от различных нагрузок 1, 10 и 100 кВт:

- для южного региона Ирака 2, 12 и 118 панелей;

- для центрального региона Ирака 2, 13 и 123 панелей;

- для северного региона Ирака 2, 13 и 130 панелей;

- для г. Ростова-на-Дону 2, 18 и 173 панели;

- для г. Москвы 3, 28 и 274 панели. 6.5

к £ 6.

£ о

сч

н 5.0

И

и

« 4.5

к

I 4.0

£ ср

3.5

к

Р 3 0

О)

К

§ 25 и 2.5

2.0

15 Сентяб] )Л Сол. Рад. ■! кВт А10 кВт Х100 кВт

♦

♦

♦

512 256

к

128 5

§§

с

3 К

ЕГ

К

п о о

о «

н о (и ЕГ

к

4

3

64 32 16 8 4 2 1

25

30

35

50

55

60

40 45 Широта

Рисунок 4.12 - Солнечная радиация 15 сентября, кВт-ч/м сутки, и количество солнечных панелей, которые требуются при различных нагрузках для трех регионов Ирака, г. Ростова-на-Дону и г. Москвы

5

Сравнивая характеристики солнечной радиации по данным на 15 ноября, как показано на рисунке 4.13, для различных широт можно отметить следующее:

1- Ежемесячная средняя солнечная радиация:

- для южного Ирака 3 кВт- ч/м сутки;

- для центрального Ирака 2.6 кВт-ч/м2сутки;

- для северного Ирака 2.2 кВт-ч/м2сутки;

- для г. Ростов-на-Дону 1.4 кВт-ч/м сутки;

- для г. Москвы 0.5 кВт-ч/м сутки.

2- Количество солнечных панелей требуется в зависимости от различных нагрузок 1,10 и100 кВт:

- для южного региона Ирака 3, 22 и 220 панелей;

- для центрального региона Ирака 3, 24 и 240 панелей;

- для северного региона Ирака 3, 29 и 289 панелей;

- для г. Ростов-на-Дону 5, 48 и 472 панелей;

- для г. Москвы 12, 117 и 1171 панелей. 4.0

> 3.5

И 3.0

я,

I 2 .5

ак ит

~ 2с0 1.5 1.0 0.5 0.0

ад р

н ч е н л о С

15 Ноября Сол. Рад. ■! кВт А10 кВт Х100 кВт

■ >с

—.....А.....

♦

■ ш

2048 1024

и

512 § 256 §

128 §

н ч е н л о с

о в т с е ч и л

лоК

64 32 16 8 4 2 1

25

30

35

50

55

60

40 45 Широта

2

Рисунок 4.13 - Солнечная радиация 15 ноября, кВт-ч/м сутки, и количество солнечных панелей, которые требуются при различных нагрузках для трех регионов Ирака, г. Ростова-на-Дону и г. Москвы

Среднемесячные данные по солнечной радиации для трех регионов Ирака (южный, центральный и северный), а также для г. Ростова-на-Дону и г. Москва представлены в таблице 4.1, и количество панелей фотопреобразователей при различных нагрузках даны в таблице 4.2.

Таблица 4.1 - Среднесуточная солнечная радиация, кВт-ч/м2сутки

Месяц Южный регион, Ирак Центральный регион, Ирак Северный регион, Ирак г. Ростов-на-Дону, Россия г. Москва, Россия

15 Января 2.7 2.3 1.8 1.3 0.5

15 Марта 4.3 4.1 3.6 2.9 2.6

15 Мая 6.0 5.8 5.6 5.3 4.6

15 Июля 6.7 6.5 6.4 5.5 5.3

15 Сентября 6 5.3 4.9 3.6 2.4

15 Ноября 3.0 2.6 2.2 1.4 0.5

Таблица 4.2 - Количество солнечных панелей

Месяц Нагрузки Южный регион Ирака Центральный регион Ирака Северный регион Ирака г. Ростов-на-Дону, Россия г. Москва, Россия

1 кВт 3 3 4 5 14

15 Января 10 кВт 25 29 35 51 140

100 кВт 244 283 347 510 1393

1 кВт 2 2 2 3 3

15 Марта 10 кВт 15 16 18 22 25

100 кВт 148 156 180 216 245

1 кВт 1 2 2 2 2

15 Мая 10 кВт 11 12 12 12 14

100 кВт 107 112 116 121 138

1 кВт 1 1 1 2 2

15 Июля 10 кВт 10 10 10 11 13

100 кВт 96 98 100 116 122

1 кВт 2 2 2 2 3

15 Сентября 10 кВт 12 13 13 18 28

100 кВт 118 123 130 173 274

1 кВт 3 3 3 5 12

15 Ноября 10 кВт 22 24 29 48 117

100 кВт 220 240 289 472 1171

4.3 Экономические затраты на установку солнечных панелей

Если исходить из того, что производители оценивают стоимость солнечных панелей одинаково для любого региона мира (стоимость их примерно равна 6000 рублей за одну панель, характеристики которой приведены в табл. 5.1), то затраты на установку панелей будут расти пропорционально устанавливаемому количеству панелей, как показано на рисунке 4.14. Таким образом, поскольку количество панелей, устанавливаемых для производства одинаковой электрической мощности, возрастает при увеличении географической широты, то, чем севернее будут устанавливаться фотопреобразователи, тем затраты на их установку будут больше.

8

с

53 7 т

к

и ^ 6 е н э о Л 5

и

е л

э

л 4 т с о м

и3 о3

т

О

2

-

—X -

-

£

-

-

За 4 Рубля ♦ 1 кВт А10 кВт X100 кВт

4096 2048 с 1024 § 512 256 128 64 32 16 8 4

<и

<и К оЗ С

£ нч

К

V

<и

1

О о

Л

н о о

а к о н

и

25 30 35 40 45

Широта

50

55

60

Рисунок 4.14 - Стоимость электроэнергии, произведенной от одной панели фотопреобразователя в 1 год и затраты на приобретение панелей для различных регионов по состоянию на 15 ноября (стоимость 1 кВт-ч принята 4 руб.)

Данные по радиации и количеству солнечных панелей в летний и зимний периоды приведены в Таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Среднесуточная солнечная радиация и количество солнечных

панелей

Среднесуточная Количество Количество Количество

солнечная солнечных солнечных солнечных

радиация, кВт'ч/м2сутки панелей для 1 кВт панелей для 10 кВт панелей для 100 кВт

зима лето зима лето зима лето зима лето

Южный регион, Ирак 2.7 6.7 3 1 25 10 244 96

Центральный регион, Ирак 2.3 6.5 3 1 29 10 283 98

Северный регион, Ирак 1.8 6.4 4 1 35 10 347 100

г. Ростов-на-Дону, Россия 1.3 5.5 5 2 51 11 510 116

г. Москва, Россия 0.5 5.3 14 2 140 13 1393 122

За установку панелей и наладку ее работы придется заплатить. Принимаем, что за это необходимо оплачивать столько же, сколько стоит панель при покупке. Таким образом, затраты на установку будут удваиваться по отношению к цене за покупку. Срок окупаемости, год, использования панелей можно определить по уравнению

Токуп = (2 хСпан) / Сэл, (4.3)

где Спан - затраты на приобретение п количества панелей для разных регионов северного полушария, руб.; Спан = Спн п;

Сэл - стоимость электроэнергии, произведенной от п количества панелей, руб.; Сэл = ЦхЫ^п; Ц - цена 1 кВт электроэнергии, руб./кВт; N - нагрузка, вырабатываемая одной панелью, кВт.

Срок окупаемости энергоустановки фотопреобразователей, используемых для хозяйственных нужд, рассчитанный по уравнению (4.3) для разных регионов Ирака и городов РФ (г. Ростов-на-Дону и г. Москва), приведен в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Сроки окупаемости установки фотопреобразователей для разных

географических широт

Регион Географическая широта, градус Срок окупаемости, год, при мощности энергоустановки

1 кВт 10 кВт 100 кВт

Южный регион Ирака 30° 50' 3,5 2,8 2,7

Центральный регион Ирака 33° 50' 3,7 3,1 3,1

Северный регион Ирака 36° 50' 4 4 3,8

г. Ростов-на-Дону 47° 14' 7,3 6,5 6,5

г. Москва 55°45' 18,6 17,3 17,2

4.4 Выводы по главе 4

1. Проведен анализ изменения электроэнергии, произведенной из солнечных панелей в течение суток и месяцев года на горизонтальную поверхность для районов республики Ирак, г. Ростова-на-Дону и г. Москвы.

2. Расчет количества панелей солнечной радиации для различных нагрузок в Ирак, г. Ростов-на-дону и г. Москвы.

3. Расчет срока окупаемости солнечных панелей, используемых для хозяйственных нужд, для разных регионов Ирака и городов РФ (г. Ростова-на-Дону и г. Москвы).

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИЗ

РЕЗУЛЬТАТОВ

5.1 Экспериментальная установка и программа исследований, проведенных на ней

Для проведения эксперимента была создана энергоустановка с набором следующих элементов: солнечные панели фотопреобразователей (2 шт. типа Exmork 120 Вт poly-Si), погружной насос типа Shurflo 9325, набор измерительной аппаратуры.

5.1.1 Солнечные панели

Для экспериментальных исследований использовались две солнечные панели фотопреобразователей из мультикристаллического кремния. Каждая панель имела определенный максимум мощности (120 Вт) и максимум напряжения (17.45 В). Панели были включены последовательно. Технические характеристики солнечных панелей представлены в таблице 5.1

Таблица 5.1 - Технические характеристики одной солнечной панели при стандартных условиях: солнечная радиация - 1000 Вт/м2, температура - +25°C

Мощность Ртах, Вт 120

Напряжение в точке MaxPower, В 17.45

Ток в точке MaxPower, А 7.01

Напряжение холостого хода, В 21.72

Ток короткого замыкания, А 8.76

Размеры солнечного элемента, мм 156 x 156 Poly

Количество ячеек, шт. 4 x 9 = 36

КПД, % 15.6

Диапазон температур, °С -40 ... +85

Габаритные размеры, мм 1480 x 680 x 35

Масса, кг 13,5

5.1.2 Насос

В эксперименте использовался погружной насос марки ^^гйо 9325), который имел следующие характеристики: максимальная мощность 120 Вт, напряжение постоянного тока 24 В, максимальный электрический ток 4.1 А. На рисунке 5.1. представлены солнечные панели и погружной насос. Характеристики насоса при разных величинах вертикального подъема, которые были получены в результате эксперимента, даны в таблице 5.2

Таблица 5.2 - Технические характеристики насоса

Вертикальный подъем, м Расход, л/ч Ток, А Мощность, Вт

6.1 443 1.5 22

12.2 432 1.7 28

18.3 413 2.1 33

24.4 401 2.4 37

30.5 390 2.6 40

36.6 382 2.8 45

42.7 375 3.1 51

48.8 371 3.3 56

54.9 352 3.6 61

61.0 345 3.8 64

70.1 310 4.1 72

Рисунок 5.1 - Солнечные панели и насос

5.1.3 Измерительные приборы, используемые при проведении экспериментальных исследований

- вольтметр для измерения напряжения 0 - 200В;

- амперметр для измерения силы тока 0 - 25А;

- устройство для измерения давления воды 0-12 бар;

- мерный цилиндр для измерения объема воды, который использовался для

определения расхода.

5.1.4 Результаты измерений

В процессе испытаний измерялось напряжение и ток от фотоэлектрических панелей через каждые 15 минут от восхода солнца и до полудня, а также количество воды, подаваемой насосом в мерный цилиндр. Такие измерения повторялись для различных высот подъема насоса: 10 - 20 - 30 - 40 метров. Как показали испытания, высота подъема воды насосом зависит от значений солнечной радиации.

Данные проведенных экспериментальных исследований приведены на рисунках 5.2 - 5.19 для различных месяцев года.

6

15 января

40 метр

10 метр 20 метр 30 метр

0 100 200 300 400 500 600

Солнечная радиация, Вт/м2

Рисунок 5.2 - Солнечная радиация и расход воды, 15 января для широты 33.5° (г. Багдад)

Солнечная радиация Вт/м2 Рисунок 5.3 - Солнечная радиация, напряжение и ток, 15 января

для широты 33.5° (г. Багдад)

Солнечная радиация, Вт/м2 Рисунок 5.4 - Солнечная радиация, мощность, 15 января для широты 33.5° (г. Багдад)

н и

д о

7 6 5 4

х3

о сЗ

2 1 0

1 1 15 марта

10 метр 20 метр 30 метр 40 метр

0

100

700 800

200 300 400 500 600 Солнечная радиация, Вт/м2

Рисунок 5.5 - Солнечная радиация и расход воды, 15 марта для широты 33.5° (г. Багдад) 2.5 30

2

1.5

А к,

коТ

0.5

0

25 20

В

е,

и

15 ин 15 е

я р

10

X

Ток, А Напряжение, В

5 0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 Солнечная радиация Вт/м2 Рисунок 5.6 - Солнечная радиация, напряжение, и ток, 15 марта для широты 33.5° (г. Багдад)

1

60 50

н 40 РР

£ 30

к

В

о

^ 20

10 0

1 1

15 ма рта