Проектирование электроснабжения базовой станции спутниковой связи с помощью солнечных панелей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Значительная территория Казахстана и низкая плотность населения в сельской местности обуславливают наличие значительной протяженности сельских линий электропередач, составляющей около 360 тыс. км, и низкую плотность нагрузки. Содержание сельских электрических сетей большой протяженности, при низком уровне потребления, равно как и значительные потери (25-50%) в значительной степени повышают себестоимость электроэнергии у потребителей. По оценкам экспертов реальная стоимость транспорта электроэнергии для маломощных отдаленных потребителей может достигать до 5 центов/кВт.ч, что делает энергоснабжение таких потребителей экономически нерентабельным. По данным МСХ РК 255 сельских населенных пунктов лишены электроснабжения. В Казахстане насчитывается порядка 180 000 крестьянских хозяйств, часть которых также не имеют доступа к электроснабжению. Отсутствие электроснабжения, телефонной связи и водоснабжения ухудшает условия проживания населения и тормозит социально-экономическое развитие в сельской местности.

Остро стоит вопрос загрязнения окружающей среды обьектами электроэнергетики. Концентрация вредных веществ в дымовых газах угольных электростанций в Казахстане в несколько раз превышает международные стандарты. Выбросы вредных веществ в атмосферу электростанциями превышают 1 млн. тонн в год, а общий обьем загрязняющих веществ в окружающую среду превышает 11 млн. тонн. Теплоэлектростанции являются одним из основных источников выбросов ПГ в Казахстане. Доля этого сектора составляет порядка 43% в общих выбросах ПГ по стране. Предполагается, что с увеличением обьема производства электроэнергии к 2010г выбросы ПГ от энергосектора превысит уровень 1990г. По приблизительным оценкам экспертов, стоимость внешнего ущерба окружающей среде от угольной энергетика в Казахстане оценивается в 7,7 тенге за каждый кВт.ч электроэнергии. Учитывая обьем электроэнергии, вырабатываемой на угольных ТЭС, стоимость внешнего ущерба может быть оценена в 4,3 млрд. долларов США в год.

В этой связи особо актуальной является тема данной выпускной работы затрагивающая электроснабжение потребителя первой категории - базовой станций спутниковой связи с помощью солнечных панелей.

Базовая станция предназначена для обмена цифровой информацией (пакетная передача данных) между правительственными, государственными учреждениями, различными юридическими и физическими лицами. В данной работе будут рассмотрены 2 варианта электроснабжения станции:

1) с помощью солнце дизельной энергосистемы

2) с помощью солнце-ветро-дизельной энергосистемы

1 Теоретическая часть

1.1 Природные ресурсы, используемые в энергетике. Традиционная и альтернативная энергетика

электроснабжение солнечная панель аккумуляторная батарея

Получением, а правильнее сказать, преобразованием энергии лучшие умы человечества занимаются не одну сотню лет. Производство энергии предполагает ее получение в удобном для использования виде, а само получение - только преобразование из одного вида в другой.

Современная наука знает следующие три способа освобождения энергии, заключенной в веществе: 1) за счет изменения электронных связей атомов в процессе химических реакций; получаемую в результате этого энергию правильно было бы называть не химической, а атомной, поскольку освобождение ее связано с существованием атомов (т. е. ядер с электронными оболочками); 2) за счет разрушения и изменения связи между нуклонами тяжелых ядер при ядерных реакциях деления (ядерная энергия) или соединения нуклонов легких ядер при ядерных реакциях синтеза (термоядерная энергия); 3) за счет полного превращения вещества в поле при реакциях аннигиляции обычного и антиобычного веществ; эту энергию за отсутствием лучшего термина можно назвать аннигиляционной.

Первые два способа, как известно, являются основой современной энергетики, последний же относительно недавно обнаружен и находится в стадии первого этапа исследования. Запасы различных источников энергии на Земле показаны в таблице 1.1

Таблица 1.1- Запасы некоторых источников энергии на Земле

Вид энергии	Запасы, кВт*ч
Невозобновляемые источники энергии: Ядерная энергия (деления) Химическая энергия горючих веществ Внутреннее тепло Земли	547 000 *1012 55000*1012 134*1012
Ежегодно возобновляемые источники энергии: Энергия солнечных лучей Энергия морских приливов Энергия ветра Энергия рек	580000*1012 70000*1012 1700*1012 18*1012

Основой энергетики сегодняшнего дня являются топливные запасы угля, нефти и газа, а также энергия рек, запасы которых составляют около 5% всех запасов энергии на Земле. И, тем не менее, они удовлетворяют примерно девяносто процентов энергетических потребностей человечества.

Подсчитано, что при сегодняшнем уровне потребления энергии, даже без учета его роста, ископаемых источников энергии хватит еще максимум на 100-150 лет. В этот расчет не входят альтернативные источники энергии, такие как энергия ветра, морских приливов, тепла Земли, солнечного излучения и некоторые другие. А ведь энергия одних только морских приливов превышает суммарную энергию всех химических горючих веществ - нефти, газа, угля (табл.1). Кроме того, практически все направления альтернативной энергетики безопасны в экологическом отношении, чего не скажешь о тех же ТЭС.

С экономической же точки зрения, именно солнечная энергетика (СЭ) выглядит гораздо привлекательнее всех остальных альтернативных источников энергии. Действительно, энергию приливов можно получать не везде, а только на побережье больших водоемов, но даже если использовать все потенциальные источники, вырабатываемой энергии все равно не хватило бы для обеспечения даже текущих потребностей человечества. Энергию ветра, хотя и можно добывать повсеместно, но с ее внедрением связан выход больших площадей из землепользования, кроме того, величина энергии вырабатываемой ветряными электростанциями очень сильно зависит от климатических условий. Впрочем, этот недостаток, в большей или меньшей степени свойственен практически всей альтернативной энергетике. Солнечное же излучение доступно практически в любой точке Земли. Солнечная энергия также весьма универсальна - ее можно использовать как в виде тепла, так и преобразовывать в механическую и электрическую.

К недостаткам СЭ можно отнести присущее всей альтернативной энергетике непостоянство вырабатываемой энергии. Например, интенсивность солнечного излучения меняется в зависимости от географической широты от 2.2 МВт*ч/м² до 1.2 МВт*ч/м² в год, а суточные колебания интенсивности еще больше (таблица1.2)

Таблица 1.2 - Интенсивность солнечного излучения на горизонтальной поверхности

Местоположение	Широта, град	Инсоляция, кВт*ч/м2
		Наибольшее значение в день	Наименьшее значение в день	Годовое значение
Экватор Тропики Средние широты Центральная Англия Полярный круг	0 23.5 45 52 66.5	6.5 7.1 7.2 7.0 6.5	5.8 3.4 1.2 0.5 0	2200 1900 1500 1400 1200

Относительная дороговизна фотоэлектрических преобразователей, не позволяла до последнего времени широко использовать их где-то еще кроме как в космонавтике, прогресс в этом направлении достигнут только в последние 7-10 лет.

1.2 Потенциал и использование возобновляемых источников энергии

Программа развития электроэнергетики Республики Казахстан до 2030г., принятая Правительством 9 апреля 1999 г., среди приоритетных направлений развития энергетического сектора и решения экологических вопросов Республики Казахстан указывает на использование возобновляемых источников энергии.

Для территории Казахстана наиболее перспективны следующие виды возобновляемых источников энергии:

- малые гидроэлектростанции;

- солнечные установки для производств тепловой и электрической энергии;

- ветроэнергетика;

- биогазовые установки.

Существующее положение использования альтернативных источников энергии от общего объема электропотребления для ряда стран приведены на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Доля использования альтернативных источников энергии в общем объеме энергопотребления для ряда стран

Европейский Союз планирует достичь показателя использования ВИЭ к 2010г. - 10% и 2040г. - 30%.

В нашей Республике технически возможный к использованию потенциал гидроресурсов составляет 62 млрд. кВт.час из них около 8,0 млрд. кВт.час потенциал малых ГЭС.

Технический потенциал ветровой энергии с учетом КПД ветроэнергетических установок и удобства их расположения составляет около 30 млрд. кВт.час/год.

Потенциал солнечной энергии в Казахстане высок, и это обусловливает необходимость применения ее по крайней мере в бытовых нуждах. Количество солнечных часов в году в республике достигает 2200-3000, а годовой уровень солнечной энергии составляет 1300-1800 ватт/кв.м. Но кроме единичных установок солнечных панелей небольшой мощности (несколько кв. м), дело дальше не идет

Исходя из Стратегии «Эффективное использование энергии возобновляемых ресурсов Республики Казахстан в целях устойчивого развития до 2024г.» доля использования альтернативных источников энергии к общему объему энергопотребления составит: в 2009г.-0,028%; в 2012г.-0,08% и в 2015г.-1%.

1.3 Солнце

Солнце -- центральная и единственная звезда нашей Солнечной системы, вокруг которой обращаются другие объекты этой системы: планеты и их спутники, карликовые планеты и их спутники, астероиды, метеороиды, кометы и космическая пыль. Масса Солнца составляет 99,8 % от суммарной массы всей Солнечной системы. Солнечное излучение поддерживает жизнь на Земле (фотоны необходимы для начальных стадий процесса фотосинтеза), определяет климат. Солнце состоит из водорода (~73 % от массы и ~92 % от объёма), гелия (~25 % от массы и ~7 % от объёма) и следующих, входящих в его состав в малых концентрациях, элементов: железа, никеля, кислорода, азота, кремния, серы, магния, углерода, неона, кальция и хрома. По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V («жёлтый карлик»). Температура поверхности Солнца достигает 6000K, поэтому Солнце светит почти белым светом, но из-за более сильного рассеяния и поглощения коротковолновой части спектра атмосферой Земли прямой свет Солнца у поверхности нашей планеты приобретает некоторый жёлтый оттенок.

Энергия, излучаемая Солнцем, - это продукт происходящего на: Солнце процесса слияния (синтеза) ядер атомов водорода (протонов) в атомные ядра гелия.

Синтез ядер, ведущий к образованию гелия, происходит при температуре в миллионы градусов (поэтому эти процессы называют термоядерными реакциями) и при очень высоком давлении.

1.3.1 Солнечная радиация

Солнечная радиация - это электромагнитное излучение, сосредоточенное в основном в диапазоне волн длиной 0,28…3,0 мкм. Солнечный спектр состоит из:

- ультрафиолетовых волн длиной 0,28…0,38 мкм, невидимых для наших глаз и составляющих приблизительно 2 % солнечного спектра;

- световых волн в диапазоне 0,38 … 0,78 мкм, составляющих приблизительно 49 % спектра;

- инфракрасных волн длиной 0,78…3,0 мкм, на долю которых приходится большая часть оставшихся 49 % солнечного спектра. Остальные части спектра играют незначительную роль в тепловом балансе Земли.

1.3.2 Энергия солнца

Среди известных источников энергии Солнце принадлежит к так называемым “возобновляемым энергетическим ресурсам” нашей планеты, т.е. этот вид энергии является практически неисчерпаемым, в отличие от всех традиционных источников. Солнечный свет не нуждается в добыче и транспортировке, он невесом, бесшумен, безвреден, а его утилизация не образует прямых отходов и не нарушает теплового равновесия планеты

Количество энергии излучения Солнца во всем диапазоне длин волн, получаемой в единицу времени единичной площадкой, перпендикулярной солнечным лучам вне земной атмосферы на расстоянии между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной I₀. Значение I₀ получено измерениями с космических аппаратов и стандартно принимается I₀ = 1353 Вт/м2. Эффективная солнечная постоянная I₀эф учитывает сезонные колебания расстояния между Землей и Солнцем и рассчитывается по формуле

(1.1)

где n - порядковый номер дня, отсчитанный от 1-го января.

При прохождении через атмосферу мощность солнечной радиации уменьшается за счет поглощения и рассеяния пылью, аэрозолями и молекулами газов. Часть падающей энергии отражается в космос. Доля отраженного тепла зависит от того, на какую поверхность попадает излучение. Так, для сухого чернозема эта доля равна 0,14, вспаханного поля 0,26 … 0,38, снега 0,6 … 0,9, водной поверхности 0,2 … 0,78 в зависимости от угла падения солнечных лучей. Так что плотность теплопритока неодинакова на различных широтах Земли, в различные времена года и периоды суток.

В субтропиках и пустынях ее среднегодовое значение составляет 210 … 250 Вт/м2, в центральной части Европы 130 … 210 Вт/м2, в североевропейских странах 80 … 130 Вт/м2.

1.3.3 Способы применения солнечного излучения

Солнечное излучение универсально - кроме непосредственного использования в виде тепла (теплоснабжение, опреснение воды, сушилки и пр.), существует множество способов его использования. Энергию солнечного излучения можно преобразовывать в другие виды энергии, например в электрическую с помощью фотопреобразователей или механическую (солнечный парус, фотонный двигатель, или с помощью обыкновенной паровой турбины), можно, наконец, аккумулировать с помощью растений и фотосинтеза, как это и происходит в природе.

Таблица 1.3 - Способы применения солнечного излучения

Применение солнечного излучения в виде тепла	Преобразование солнечного излучения в электрическую и механическую энергию
Гелиоустановки (солнечные коллекторы): Нагрев воды с целью теплоснабжения и горячего водоснабжения жилья Опреснение воды Различные сушилки и выпариватели	Термоэлектрические генераторы: Термоэлектронная эмиссия Термоэлементы (термопары) Фотоэлектрические генераторы: Фотоэлектронная эмиссия Полупроводниковые элементы Фотохимия и фотобиология: Фотолиз (фотодиссоциация) Фотосинтез

Несмотря на многочисленность способов преобразования солнечной энергии, на данный момент наиболее широко используется преобразование его в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических генераторов.

1.4 Преобразование солнечного излучения в электроэнергию

Солнечное излучение (СИ) можно преобразовывать в электричество через преобразование его сначала в тепло, а затем с помощью обычных паровых турбин и соединенных с ними генераторов в электроэнергию - такие установки не имеют принципиальных отличий от ТЭС, ГЭС и АЭС - а можно и непосредственно, минуя тепловую стадию. Преимущества второго способа очевидны - мало того, что такие устройства значительно проще, компактнее и дешевле, кроме того, в них существенно меньше и энергетические потери, неизбежные при каждом преобразовании энергии из одного вида в другой, а это означает более высокий КПД и экономическую рентабельность установок с непосредственным преобразованием лучистой энергии. Тем не менее, некоторые способы преобразования СИ через тепловую фазу будут рассмотрены из-за их более перспективной основы - термоэлектронной эмиссии и эффекта Зеебека. Установки, основанные на этих явлениях (термоэлектрические генераторы) существенно отличаются от традиционных - так, в них отсутствует теплоноситель и какие-либо движущиеся части. Но все же основное внимание будет уделено непосредственному преобразованию СИ в электроэнергию с помощью фотоэлектрических генераторов.

1.4.1 Термоэлектрические генераторы

1.4.1.1 Термоэлектронный генератор

Первый тип устройств для прямого генерирования электрической энергии -- термоэлектронный или как его еще называют термоионный генератор. Этот прибор разработан в последние десятилетия, и возможно ему принадлежит исключительно важная роль при производстве электроэнергии в будущем.

Принцип действия термоионного генератора поясняет рисунок 1.2. В основу работы генератора положен эффект, обнаруженный Эдисоном в 1883 г. и названный термоионной (термоэлектронной) эмиссией. При нагревании одного из электродов, который позднее стали называть катодом, до достаточно высокой температуры значительная часть его электронов приобретает энергию, при которой они способны покинуть его поверхность. Правда, этот процесс протекает небеспрепятственно.



Рисунок 1.2 - Термоионный генератор

Если поблизости находится другой электрод -- анод, то испущенные электроны можно направить к нему и там собрать. Это возможно лишь в том случае, если оба электрода соединить внешней цепью, поскольку в противном случае рост отрицательного заряда на аноде препятствует движению к нему эмиттируемых электронов, и при определенных условиях они не смогут его достигнуть. Но в термоионном генераторе катод и анод соединены внешней цепью. Поэтому поток электронов, то есть электрический ток, проходит через эту цепь, совершая в ней работу. На рисунке 2 внешняя нагрузка представлена сопротивлением R, но практически это может быть какое-либо устройство, например электродвигатель. Таким образом, в термоионном генераторе используется часть энергии (в интересующем нас случае это энергия солнечной радиации), израсходованной на нагревание катода, благодаря которой в нагрузке протекает ток и совершается работа.

Такое преобразование солнечной энергии в работу происходит не без потерь, и, естественно, встает вопрос о КПД подобного устройства. Электроны покидают катод лишь при его нагревании, поэтому возникают потери энергии через теплоизлучение. Часть тепловой энергии попадает на анод, который при сильном разогреве также испускает электроны. Если хотя бы часть из них достигла катода, это привело бы к уменьшению тока в нагрузке. Поэтому на охлаждение анода также необходима энергия. Итак, возможности этого способа преобразования энергии, также небеспредельны, ограничена, и величина его КПД находится на уровне 10-15%.

1.4.1.2 Термоэлектрический генератор (термопары)

Возникновение контактной разности потенциалов при соприкосновении двух разнородных проводников, открытое Вольта в последнем десятилетии XVIII века, привлекло внимание физиков к процессам, происходящим в цепях разнородных материалов. Одной из фундаментальных работ в этой области, положившей фактически начало термоэлектрическим исследованиям, явилась статья немецкого ученого Зеебека «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованная в докладах Прусской академии наук в 1822 г.

Суть явления, наблюдавшегося Зеебеком в процессе опыта (и вошедшего впоследствии в физику под термином «эффект Зеебека»), состояла в том, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых находились при разных температурах, магнитная стрелка, помещенная вблизи такой цепи, поворачивалась так же, как в присутствии магнитного материала. Угол поворота стрелки был связан с величиной разности температур на спаях исследуемой цепи.

Объективный анализ опытов Зеебека (даже при тогдашнем уровне физических знаний) мог бы дать однозначное объяснение эффекту, обусловив его возникновением в подобной цепи электрического тока, тем более, что воздействие на стрелку прекращалось при размыкании цепи. Однако Зеебек предложил собственную интерпретацию эффекта, объясняющую его намагничиванием материалов под действием температуры и разработал в качестве ее следствия смелую гипотезу происхождения земного магнетизма, суть которой сводится к тому, что земное магнитное поле образовалось в результате разности температур между полюсами и экваториальным поясом Земли. Заблуждение Зеебека сыграло положительную роль: чтобы опровергнуть электрическое происхождение термоэлектрических токов, он на самых различных материалах сопоставлял явление электризации (контактный потенциал) или ряд Вольта с воздействием разности температур на магнитную стрелку и показывал различие между ними.

Составленный Зеебеком обширный термоэлектрический ряд (таблица 1.4) представляет интерес и поныне. В современных обозначениях (б -- термоэлектродвижущая сила на 1° С и у -- удельная электропроводность) ряд Зеебека определяется произведением бу вместо величины б²у/ч (где ч -- удельная теплопроводность), которая характеризует термоэлектрические свойства материала.

На основе эффекта Зеебека и создаются термоэлектрогенераторы. На рисунке 1.3 показана типичная конструкция термоэлектрического генератора на основе проводников. Обычно проводники соединяются последовательно, так как разность потенциалов на выходе каждой пары проводников в реальных устройствах имеет величину порядка 300--400 мкВ на единицу, разности температур. Поэтому при разности температур 500 К выходное напряжение на каждой паре элементов составляет не более 0,2 В.

Рисунок 1.3- Термоэлектрический генератор

Работу реальных устройств сопровождают определенные необратимые явления. Возможна теплопередача от источника к охладителю непосредственно через элементы генератора. Внутри элементов при протекании тока выделяется джоулево тепло.

Для любой пары термоэлектрических элементов скорость теплопередачи через проводимость пропорциональна разности температур на их концах (при условии отсутствия рассеяния тепла). Тогда справедливо уравнение

Q_т=K (T₁-T₂), (1.2)

где К зависит от теплопроводности материалов, площади поверхности и длины элементов.

Джоулево тепло, выделяющееся при прохождении тока I, равно

Q_дж=I²R, (1.3)

Где К -- общее сопротивление элементов, зависящее (как и теплопроводность) от удельного сопротивления материала, размеров и формы элементов. Если опять же предположить, что тепловые потери отсутствуют, то половина энергии, преобразованной в джоулево тепло, проходит к каждому из соединений.

Получаемая в нагрузке мощность от такого генератора определяется из соотношения

P=S(T₁-T₂)I - I²R, (1.4)

где S коэффициент Зеебека зависящий от материала проводника.

Если считать неизменными другие величины, значение КПД определяется только величиной тока. Установлено, что с уменьшением тока КПД сначала растет, а затем падает. Максимальное значение КПД зависит от параметра Z характеризующего некоторую совокупность свойств проводника, называемого добротностью. Для металлов Z очень мала, поэтому для изготовления ТЭГ применяют легированные полупроводники, для которых добротность при определенных температурах не превышает 0.0005 на 1 К. Тогда при температуре нагревателя 1000 К и охладителя 300 К, общий КПД преобразования составляет лишь около 7% и то при концентрации солнечного излучения с помощью зеркал.

Таблица 1.4 - Термоэлектрические ряды

Ряд Зеебека (1822г.)	Ряд Юсти (1948)	Ряд Мейснера (1955)
Металлы и их соединения	Металлы	Полупроводники
PbS Bi Ni Co Pd Pt U Au Cu Rh Ag Zn C Cd Сталь Fe As Sb SbZn	Bi-80 Co-21 Ni-20 K-14 Pd-8 Na-7 Pt-5 Hg-5 C-3.5 Al-1.5 Rh+1 Zn+1.5 Ag+1.5 Au+1.5 Cu+2.0 W+2.5 Fe+12.5 Sb+42 Si+44 Te+49	Bi-70 Mi-18.0 Co-18.5 K-12 Pd-6 Pb-0.1 Sn+0.1 Rh+2.5 Zn+2.9 Mo+5.9 Fe+16 Sb+35 Te+400 Se+1000	MnS-770 ZnO-714 CuO-696 Fe3О4-500 FeS2-430 MoS-200 CuO-139 CdO-41 CuS-7 FeS+26 CdO+30 NiO+240 Mn2О3+385 Cu2O3+474 CuO+1120
Примечание: Величина термо-ЭДС дана в мкВ/град.

Несмотря на то, что КПД современных термоэлектрических генераторов очень мал, интерес к ним продолжает расти. Если учесть, что еще несколько десятилетий назад КПД термоэлектрических генераторов был в 10 раз ниже достигнутого в настоящее время, а поиск новых более совершенных материалов продолжается, то можно надеяться на дальнейшее усовершенствование этого типа генераторов. Например, если удастся достигнуть величины добротности 0,005 на 1К в диапазоне температур от 300 до 1000 К, то КПД генератора увеличится с 7 до 31%.

Следует заметить, что температурные изменения добротности могут благоприятно отразиться и на эффективности системы, состоящей из плоского коллектора и термоэлектрического генератора (рисунок 1.4). Максимальная температура в данном случае значительно ниже, но для достаточно узкого интервала температур можно подобрать такую пару термоэлектрических материалов, которые обеспечат сравнительно высокую добротность. При температуре Т= 400 К и Z =0,002 на 1 К суммарный КПД составляет около 3,5%. Если учесть, что получение такой рабочей температуры не связано с применением сложных концентраторов, снабженных устройством, следящим за движением солнца, то система подобной конструкции оказывается вполне приемлемой. Относительно низкая величина КПД системы обусловлена входящим в ее состав генератором.

Рисунок 1.4 - Термоэлектрический генератор с плоским коллектором

Из всего сказанного видно, что эффективность систем, в которых солнечная энергия используется для нагревания соответствующих устройств, принципиально ограничена, в результате чего полезно реализуется лишь незначительная доля падающей солнечной энергии. Даже по самым оптимистическим прогнозам КПД подобных устройств не превысит 40%.

Таким образом, дальнейшее исследование устройств для преобразования энергии, в которых исходная стадия является тепловой, кажется бесполезным. В одном из таких устройств, которому еще 10 лет назад отводилось важное место при решении вопросов крупномасштабного получения энергии, использован магнитогидродинамический эффект, или МГД-эффект, но последние исследования, а в большей степени практические реализации такого устройства показали, что его использование из-за низкого КПД неэффективно. В следующей главе будут описаны другие методы получения энергии. Их существенное отличие заключается в том, что они позволят использовать энергию солнечной радиации без сколько-нибудь заметного повышения температуры элементов систем, то есть тепловая стадия в процессе преобразования энергии исключается.

1.4.2 Фотоэлектрические генераторы

В преобразователях световой энергии в электрическую используется фотоэффект, открытый в 1887 г. Герцем и обстоятельно исследованный, начиная с 1888 г. Столетовым.

Фотоэффект выражается в «выбивании» электронов фотонами света с поверхности тел (внешний фотоэффект) или только из кристаллической решетки внутри полупроводника (внутренний фотоэффект), а также в возникновении под действием света, падающего на границу металл -- полупроводник (или n-полупроводник и p-полупроводник) ЭДС, вызывающей появление или изменение тока в цепи (фотоэффект запирающего слоя или вентильный фотоэффект).

Устройства, основанные на внешнем и внутреннем фотоэффекте рассматриваться не будут т.к. они аналогичны термоэлектронным генераторам, рассмотренным выше - различаются лишь способом получения электронного пучка. Можно только отметить, что КПД таких генераторов очень низок - всего 0.5-1%. Столь низкий КПД является причиной того, что при исследовании вопросов получения энергии фотоэмиссионным генераторам отводится незначительная роль, хотя возможно используя какие-то оригинальные конструкции, их КПД можно значительно повысить. Однако все эти возможности остались неисследованными в связи с появлением фотоэлектрических генераторов использующих вентильный фотоэффект.

1.4.2.1 Вентильный фотоэлектрический генератор

Вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя), являющийся разновидностью внутреннего фотоэффекта, это возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего магнитного поля).

.

Рисунок 1.5 - Принцип действия солнечного электрогенератора

Фотоэффект запирающего слоя положен в основу устройства полупроводниковых, или, как их еще иначе называют, вентильных фотоэлементов -- приборов, непосредственно превращающих лучистую энергию в электрическую.

Фотоэлементы с запирающим слоем строятся с 1888г., т.е. со времени открытия этого эффекта Ульяниным (учеником Столетова), однако их КПД при использовании металлов не превышает 1 %. Применение полупроводников с различными типами проводимости дало значительно лучшие результаты. Принцип действия такого фотоэлемента состоит в следующем.

Пусть n-полупроводник приводится в контакт с p-полупроводником. Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении.

В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионов. В р-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионов (рисунок 1.5). Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой (запирающий слой), поле которого, направленное от n-области к p-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении п>р и дырок в направлении р>п.

Под действием света, проникающего сквозь тонкий слой n-полупроводника, в нем происходит внутренний фотоэффект - образуются пары зарядов электрон-дырка. Если имеется внешняя цепь, то вновь образованные электроны, не имея возможности пройти сквозь запирающий слой, устремляются в нее. Дырки же легко проходят сквозь запирающий слой к р-полупроводнику, где происходит рекомбинация - в цепи начинает протекать ток.

Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, обладая, подобно элементам с внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения, имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность (таблица 1.5) и не нуждаются во внешнем источнике ЭДС. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, сернисто-серебряные и др.

Конструктивно любой вентильный фотоэлемент довольно прост. Изготавливается так называемый нижний электрод, представляющий собой металлическую пластинку, толщиной от одного до двух миллиметров. Форма пластинки не имеет никакого принципиального значения и определяется лишь назначением фотоэлемента. Нижний металлический электрод должен быть механически прочным. На него наносится тонкий слой того или иного полупроводника. Затем он подвергается соответствующей обработке, цель которой заключается в созда_ан в толще полупроводника р-n-перехода. Когда эта цель достигнута, на наружную поверхность в большинстве случаев наносится верхний металлический электрод, представляющий собой тонкий полупрозрачный слой металла.

Таблица 1.5 - Интегральная чувствительность некоторых полупроводниковых материалов

Фотоэлементы	Максимальная чувствительность, мкА/лм
С внешним фотоэффектом Меднозакисный Селеновый Сернистосеребряный Сернистоталлиевый Германиевый Кремниевый	150 100 600 8000 11000 30000 35000

Иногда обработка полупроводникового слоя для создания в нем р-n-перехода проводится при нанесенном уже верхнем металлическом электроде. Бывает и так, что полупроводник обрабатывается в отсутствии обоих электродов. Последние создаются уже после образования в полупроводниковом слое р-n-перехода. При изготовлении некоторых фотоэлементов р-n-переход образуется в процессе нанесения электрода.

Вся эта система помещается в оправку с окошком для светового потока. В оправку вмонтиро_анны две токовые клеммы. Одна из них соединяется с нижним электродом, другая -- с верхним.

Для предохранения наружной поверхности фотоэлемента, от вредного влияния атмосферного воздуха иногда она покрывается прозрачным лаком.

Если фотоэлемент изготавливается из хорошо проводящего полупроводникового вещества, например кремния или германия, то верхний электрод может быть выполнен в виде кольца, если фоточувствительная поверхность имеет форму диска, или прямоугольной рамки.

Когда на верхний электрод фотоэлемента падает лучистый поток, то некоторая его часть отражается от металлического слоя, другая часть поглощается в толще этого слоя и, наконец, остальная часть проходит сквозь последний и поглощается в прилегающей области полупроводника. Это приводит к освобождению пар электрон-дырка, о чем было рассказано выше. В результате перемещения дырок к одному электроду, а электронов к другому, они приобретут заряд противоположных знаков и между ними возникнет разность потенциалов. Ее величина до определенного предела будет тем большей, чем больше интенсивность лучистого потока.

Что касается КПД современных фотоэлектрических преобразователей, то экспериментально показано, что в них преобразуется только около 50% падающей на элемент солнечной энергии, также показано, что при правильном выборе материалов и достаточной освещенности можно добиться того, чтобы в процессе генерирования энергии принимало участие не менее 80% возникающих под действием фотонов пар электрон-дырка. Фотоэлемент с такими параметрами будет обладать КПД порядка 20%.

Об эффективности хорошо согласованного с нагрузкой фотоэлектрического генератора, работающего в условиях тропиков, мы можем судить по данным рисунка 1.6



Рисунок 1.6- Зависимость выходной мощности фотоэлектрического генератора от интенсивности солнечного излучения

При интенсивности солнечной радиации Р=800 Вт/м² полезная мощность практически не превышает 130 Вт/м². Куда же расходуется оставшаяся неиспользованной энергия? Следует избегать того, чтобы эта энергия затрачивалась на усиление колебаний кристаллической решетки, поскольку в противном случае возбужденные носители могут преодолевать запирающий слой различными «окольными» путями. Поскольку интенсивность колебаний решетки непосредственно связана с температурой, то в равной мере можно говорить о необходимости поддерживать температуру на низком уровне. Этого добиваются различными способами. Обычно при повышении рабочей температуры с 20 до 100° С КПД установки снижается на одну треть. Очевидно, ту часть спектра солнечной радиации, которая расходуется непроизводительно, можно устранить с помощью соответствующих отражающих покрытий, но внутри генератора всегда происходят какие-нибудь тепловые процессы, поэтому необходимо обеспечить по возможности наилучший отвод тепла через теплопроводность или лучеиспускание.

1.4.2.2 Перспективы развития фотоэлектрических генераторов

Вопреки различным оптимистичным прогнозам простейшие фотоэлектрические генераторы по КПД пока еще не превосходят системы на основе механических тепловых машин и термоионных преобразователей. Низкий КПД фотоэлектрического генератора объясняется двумя основными причинами: с одной стороны, значительная часть световых фотонов обладает энергией, которая не оказывает нужного действия на электроны материала, а с другой - разность потенциалов V на нагрузке составляет лишь малую часть от напряженности поля E_з в запрещенной зоне. Весьма вероятно, что проводимые в настоящее время исследования позволят создать новые устройства, в которых указанные недостатки окажутся менее существенными. В высоколегированных полупроводниках, где ширина запрещенной зоны значительно больше, второй из названных недостатков выражен значительно слабее. В этом случае число носителей, преодолевающих р-n-переход «окольными» путями, уменьшается. Проводятся перспективные исследования по созданию более сложных устройств, схематически показанных на рисунке 1.7.

Рисунок - 1.7 Типы фотоэлектрических генераторов:

а--однокаскадный; б--многокаскадный

Солнечная радиация сначала попадает на элемент, изготовленный из полупроводника с большой шириной запрещенной зоны, благодаря чему он обладает высоким КПД в нужной нам части солнечного спектра. Фотоны с энергиями ниже E_з не оказывают воздействия на этот элемент, материал которого для них по существу является прозрачным. Пройдя через первый каскад, эти фотоны попадают во второй, выполненный из материала с меньшей величиной E_з (по сравнению с первым элементом). Его способность захватывать эти фотоны высока, хотя КПД ниже, чем у первого элемента. Такое сочетание двух солнечных элементов позволяет получить более высокий суммарный КПД, чем для каждого из них в отдельности. Возможность дальнейшего совершенствования такого рода устройств открывается с применением для их изготовления интегральной технологии и созданием так называемого интегрального генератора, в котором ширина запрещенной зоны изменяется с глубиной; она велика у облучаемой поверхности, а затем уменьшается в глубь материала. Эта и другие новые разработки фотоэлектрических генераторов открывают дальнейшие перспективы повышения их КПД; предполагается, что КПД фотоэлектрических систем может достигнуть 50--60%, то есть превысить КПД любых других систем. Особое внимание уделяется вопросу удешевления конструкций фотоэлектрических генераторов, поскольку созданные до настоящего времени устройства оказались чрезвычайно дорогостоящими.

Еще 10-20 лет назад цена фотоэлектрического преобразователя площадью в 1 см² составляла в среднем несколько долларов. Причины такой высокой стоимости понятны, если учитывать чрезвычайно высокие требования к чистоте полупроводниковых материалов. В последние годы удалось удешевить производство, заменив дорогой монокристаллический кремний поликристаллическим и разработав новые технологии изготовления элементов. В результате стоимость наземных солнечных батарей снизилась в несколько раз. Также вместо чистого кремния стали применять относительно новый полупроводник алюминий-галий-мышьяк (AlGaAs) - с ним связывают надежды на новое снижение стоимости фотоэлементов.

1.5 Описание местности

Рисунок 1.8- Карта района Кордай с указанием площадки

Местность Кордай расположена на юго-востоке Жамбылской области в 30 км от одноименного поселка Кордай на границе Республик Казахстан и Кыргызстан. Данная территория представляет собой гористую местность в горах Киндиктас с отметками высот порядка 1000-1200 метров над уровнем моря. По данным Казгидромета средняя многолетняя скорость в районе Кордая составляет 3,8м/с на высоте 10м.

Жамбылская область входит в Южную энергетическую зону Республики Казахстан, куда также входят Алматинская и Южно-казахстанская области.

На районном уровне на юго-востоке Жамбыльской области располагаются два административных района, Кордайский и Шуйский. Годовое потребление электроэнергии обоими районами составило 267,5 млн. кВтч в 2007г. Дефицит электроэнергии в районах на перспективу составляет порядка 103,5 млн. кВтч. Энергоснабжение Кордайского района полностью обеспечивается поставками электроэнергии из соседней Кыргызской Республики. С учетом значительного дефицита электроэнергии на юге Казахстана всемерное использование местных возобновляемых источников энергии является актуальной задачей для решения задачи обеспечения энергоснабжения районов.

1.6 Описание площадки

Рисунок 1.9 - Площадка расположенная в местности Кордаи

Площадка под расположена в районе перевала Кордай с высотами порядка 1000-1200 метров.

Вблизи площадки на расстоянии 5 км проходит высоковольтная линия электропередач ВЛ 110 кВ и находится понизительная подстанция ПС 110/35/10 кВ. Вдоль площадки пролегает международная автомобильная дорога Алматы - Бишкек, а также пролегает газопровод. К югу от площадки на расстоянии примерно 45 км на территории Республики Кыргызстан располагается аэродром г. Кант. Направление взлетно-посадочной полосы аэродрома - с севера на юг. Карта района Кордай приведена на рисунке 1.8.

Вблизи площадки на расстоянии примерно 2-3 км проходит ЛЭП 110 кВ, соединяющая подстанции ПС 110 кВ Отар и ПС 110 кВ Кордай, а также ЛЭП 220 кВ между подстанциями ПС 500 кВ г. Алматы и ПС 220 кВ «Главная», Кыргызыстан.

На расстоянии примерно 70 км от площадки Кордай на северо-восток находится ж.д. станция г. Отар, что делает возможным доставку оборудования ВЭС до г. Отар железнодорожным транспортом из России, Европы, Китая и др. стран. Между г. Отар и Кордай имеется автомобильная дорога с твердым покрытием. Для доставки оборудования на площадку необходимо провести детальное исследование местной транспортной инфраструктуры.

1.7 Описание потребителя

Базовая станция спутниковой связи относится к объектам первой категорий и предназначена для обмена цифровой информацией (пакетная передача данных) между правительственными, государственными учреждениями, различными юридическими и физическими лицами. Понятие и требование к электроснабжению объектов первой категорий представлены ниже:

В соответствии с правилами устройства электроустановок объект относится к электроприемникам первой категории, подпадает под действие п.п.1.2.18 и 1.2.19 и должен иметь соответствующее обеспечение электроэнергией.

1.2.18.Электроприемники первой категории - электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения.

Из состава электроприемников первой категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов и пожаров.

1.2.19. Электроприемники первой категории в нормальных режимах должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания.

Для электроснабжения особой группы электроприемников первой категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания.

В качестве третьего независимого источника питания для особой группы электроприемников и в качестве второго независимого источника питания для остальных электроприемников первой категории могут быть использованы местные электростанции, электростанции энергосистем (в частности, шины генераторного напряжения), предназначенные для этих целей агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторные батареи и т. П.

2 Расчетная часть

2.1 Выбор типа аккумуляторных батареи(АБ) для объекта

Выбор аккумуляторов для системы автономного электроснабжения также вопрос непростой. Обычные автомобильные аккумуляторы здесь применять нежелательно. Во-первых, они не рассчитаны на работу в циклических режимах, т.е. когда аккумулятор отдает энергию понемногу и долго. Во-вторых, любые автомобильные аккумуляторы, даже так называемые «необслуживаемые», при своей работе выделяют вредные газы.

Самым лучшим вариантом для систем автономного и резервного электроснабжения является использование специальных АБ, рассчитанных на циклические режимы работы и регулярный глубокий разряд. Можно применять как АБ с жидким электролитом (серия OpzS), так и герметичные гелевые АБ (серия OpzV). Такие батареи намного дороже автомобильных, но зато, при правильном проектировании системы, гарантируют надежное электроснабжение.

Промежуточным вариантом является использование герметичных батарей, выполненных по AGM или GEL технологии. Эти батареи работают значительно лучше автомобильных аккумуляторов, не выделяют при своей работе вредных веществ, а стоят не намного дороже стартерных батарей.

2.1.1 Аккумуляторные батареи с технологией AGM

AGM батареи - герметичные, необслуживаемые, не требуют вентилируемого помещения для установки. Батареи AGM прекрасно работают в буферном режиме, т.е. в режиме подзарядки. В таком режиме служат до 10-12 лет. Если же их использовать в циклическом режиме (т.е. постоянно заряжать-разряжать на хотя бы 30%-40% от емкости), то их срок службы сокращается.

Такие АБ используются в UPS; вообще UPS предназначены для аварийного завершения работ, а не для питания нагрузки в постоянном режиме. Поэтому, учитывая что обычно они стоят в офисах, там и ставят AGM и гелевые батареи. Даже если АБ и выйдет из строя преждевременно, все же это во многих случаях дешевле, чем риск потери информации и результатов работы.

Гелевые батареи лучше выдерживают циклические режимы заряда-разряда. Их применение более желательно в системах автономного электроснабжения. Однако они дороже AGM батарей и тем более стартерных.

Почти все герметичные аккумуляторы могут на какое-то время устанавливаться на боку. Однако производитель обычно рекомендует устанавливать батареи в «нормальной», вертикальной позиции.

Такие АБ имеют большую, по сравнению со стартерными батареями, толщину пластин электродов, поэтому срок их службы в режиме длительного разряда намного превышает срок работы стартерных батарей.

В связи с этим, в системах на базе возобновляемых источников энергии, а также в системах бесперебойного питания, целесообразно использовать, хотя и более дорогие, герметичные, необслуживаемые АБ. Солнечная батарея, термоэлектрический генератор и небольшой мощности ветроэлектрическая установка вырабатывают сравнительно небольшой ток, поэтому заряд АБ длится много часов и в этом случае подходят даже самые дешевые из необслуживаемых АБ.

2.1.2 Гелевые аккумуляторные батареи. Общее описание аккумуляторной батареи Delta GL

Гелевые аккумуляторной батареи имеют ряд преимуществ по сравнению с аккумуляторами с технологией AGM при сохранении всех их достоинств - герметичности, необслуживаемости, практическом отсутствии вредных газовыделений при работе, большой срок службы.

Гелевые аккумуляторы имеют примерно на 10-30% больший срок службы, чем AGM аккумуляторы. Также они менее болезненно переносят глубокий разряд. Однако одним из основных преимуществ гелевых аккумуляторов перед AGM является существенно меньшая потеря емкости при понижении температуры аккумулятора.

Поэтому гелевые аккумуляторы рекомендуется применять там, где требуется обеспечить долгий срок службы при более глубоких режимах разряда, а также, если температура аккумуляторов опускается ниже 5 градусов Цельсия.

В итоге принимаем аккумуляторы Delta (технология GEL)(рисунок 2.1)

Рисунок 2.1- аккумулятор Delta GL

Сферы применения:

· Источники бесперебойного питания

· Гарантированное питание систем связи

· Телефонные станции

· Резервное питание станций сотовой и радиорелейной связи

· Системы солнечной и ветроэнергетики

Общее описание аккумуляторной батареи Delta GL:

Свинцово-кислотные моноблоки Delta серии GL изготовлены по технологии GEL. В качестве электролита используется загущенная серная кислота в виде геля, что обеспечивает устойчивость аккумуляторов Delta GL к глубоким разрядам и высокую температурную стабильность. Расчетный срок службы составляет 5 лет. Аккумуляторы Delta серии GL предназначены для работы, как в буферном, так и в циклическом режимах.

К особенностям и преимуществам этих АБ можно отнести: Устойчивость к глубоким разрядам, температурная стабильность характеристик, исключены утечки кислоты, гарантируется безопасная эксплуатация с другим оборудованием, отсутствует газовыделение, достаточно естественной вентиляции, Нет необходимости в контроле уровня и доливе воды. Корпус выполнен из негорючего пластика ABS.

Срок службы : В буферном режиме: 5 лет. В циклическом режиме: 1300 циклов при 30% глубине разряда.

Температурные режимы : Хранение от -35°С до +60°С .Заряд от -10°С до +60°С .Разряд от -20°С до +60°С

Метод заряда: Заряд постоянным напряжением (25°C) .Циклический режим 14.3-14.5В .Буферный режим 13.4-13.7В

Таблица 2.1- Технические данные АБ

Тип аккумулятора	U (В)	C (Ач)	Д (мм)	Ш (мм)	В (мм)	вес (кг)
Delta GL12-200	12	200	552	238	240	65

2.2 Расчет количества аккумуляторных батареи и зависимость его от типа электроснабжения

2.2.1 Вариант I. Электроснабжение с помощью солнечных панелей

Определение энергопотребления и емкости АБ:

С учетом того что источником служит солнечная панель, время резервирования будет сосавлять 24 часа.

Таблица 2.2- Состав нагрузки

№	Наименование оборудования	Кол-во, шт.	Мощность, Вт	Сумм. Мощность, Вт	Время работы в течении суток, ч	Потребление за сутки, кВт*ч
1	2	3	4	5	6	7
1	Сигнализация	1	100	100	24	2,4
2	Кондиционер	1	2400	2400	16	38,4
3	Дренажный нагреватель	1	120	120	16	1,92
4	Бытовой потребитель	2	700	1400	8	11,2
5	Светильник	2	200	400	4	1,6
6	Радиотехническое оборудование	1	800	800	24	19,2
	Суммарная установленная мощность	5,22 кВт	Суммарное потребление за сутки	74,72

Далее нужно умножить получившееся значение на коэффициент 1,2 учитывающий потери в инверторе:

, Втч (2.1)

Втч

значение входного напряжения инвертора по характеристикам выбранного инвертора 48 В

Разделив значение потребления энергии за сутки с учетом потерь на напряжение мы получим число Ампер-часов , требуемое для покрытия нагрузки переменного тока:

(2.2)

Определяем количество аккумуляторных батареи :

С учетом того, что максимальный допустимый разряд АБ будет составлять 30% от номинальной емкости(Можно, конечно, разряжать АБ сильнее, но тогда срок службы АБ резко сократится) приблизительная емкость АБ :

(2.3)

Теперь необходимо рассчитать количество, напряжение, способ включения и тип аккумуляторов. При этом надо учитывать, что при параллельном включении аккумуляторов в цепь суммируется емкость (А/ч), а при последовательном напряжение (В).

Количество последовательно соединенных в ряд АБ :

N₁=U_сум/U_н = 4 (2.4)

N₁=48/12 = 4

Количество параллельно соединенных рядов:

(2.5)

Общее количество АБ :

N=n₁n₂ (2.6)

N= 32х4=128

Суммарная емкость АБ :

(2.7)

Суммарные капитальные затраты:

K=NЦ ,тг (2.8)

К=128х116862.08 тг = 14958346.24 тг

Схема соединения АБ представлена на рисунке 2.2

В результате расчетов мы видим , что число полученных АБ велико. Чтобы уменьшить количество АБ мы можем использовать еще один нетрадиционный источник энергии -ветер. Использование ветрогенератора уменьшит возможный перерыв в электроснабжении объекта и в следствии этого уменьшится необходимое количество АБ. Так же ветер послужит еще одним источником энергий необходимым для объектов первой категорий.

Рисунок 2.2- Схема соединения АБ

2.2.2 Вариант II. Электроснабжение с помощью ветрогенератора и солнечных панелей

Определение энергопотребления и емкости АБ:

При использований в качестве источника электроэнергии солнечную панель и ветрогенератор время резервирования будет сосавлять 8 часов.

Для дальнейших расчетов найдем среднечасовую мощность за зимние сутки:

(2.9)

Потребление за 8 часов :

Далее нужно умножить получившееся значение на коэффициент 1,2 учитывающий потери в инверторе:

, Втч (2.10)

Втч

значение входного напряжения инвертора по характеристикам выбранного инвертора 48 В

Разделив значение потребления энергии за сутки с учетом потерь на напряжение мы получим число Ампер-часов , требуемое для покрытия нагрузки переменного тока:

(2.11)

Определяем количество аккумуляторных батареи :

С учетом того, что максимальный допустимый разряд АБ будет составлять 30% от номинальной емкости(Можно, конечно, разряжать АБ сильнее, но тогда срок службы АБ резко сократится) приблизительная емкость АБ :

(2.12)

Теперь необходимо рассчитать количество, напряжение, способ включения и тип аккумуляторов. При этом надо учитывать, что при параллельном включении аккумуляторов в цепь суммируется емкость (А/ч), а при последовательном напряжение (В).