Р. Байтасов - Основы энергосбережения. Конспект лекций

Важнейшим параметром солнечного элемента является коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую (Ксв), равный отношению мощности вырабатываемой им электрической энергии к падающему на элемент потоку излучения.

где Рэ – электрическая мощность (максимальная) на выходе элемента; Ризл=Еосв х Sэ – мощность светового потока, падающего на поверхность элемента площадью Sэ, расположенную перпендикулярно потоку (Вт); Еосв – освещенность элемента (Вт/м²).

Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования равный 10…15%. Это значит: при освещённости, равной 0,1 кВт/м² они могут вырабатывать электрическую мощность 1…1,5 Вт с каждого квадратного дециметра площади при создаваемой разности потенциалов около 1 В. Солнечные элементы последовательно соединяют в солнечные модули, которые в свою очередь соединяются в солнечные батареи.

Солнечная фотоэлектрическая установка имеет электрический аккумулятор, что обусловлено непостоянством потока солнечного излучения в течение суток и преобразователь, который необходим для получения переменного тока промышленных параметров (220 В, 50 Гц).

Сдерживающим фактором массового использования фотоэлектрических гелиоустановок является пока что, относительно высокая стоимость, которая для солнечных батарей составляет около 3 долларов США за 1 Вт установленной мощности плюс 2 доллара за 1 Вт вспомогательного оборудования (аккумулятор и преобразователь). Однако при сроке службы солнечных батарей 20 лет и облучённости местности 20 МДж/м² в день стоимость 1 кВт-ч электроэнергии составит примерно 16 центов, что конкурентоспособно с электроэнергией, вырабатываемой дизель-генератором. Уже сейчас фотоэлектрические установки используются для питания электроизгородей, переносной радиоэлектронной аппаратуры, в микрокалькуляторах. В странах СНГ и Западной Европы разработаны и внедряются водонасосные установки для пастбищного водоснабжения с питанием от солнечных батарей мощностью от сотен ватт до нескольких киловатт. Весьма перспективно использование солнечных фотоэлектрических станций для нужд энергоснабжения бытовых производственных объектов, удалённых от линий электропередач.

Ветер – это движение воздушных масс атмосферы, вызванное перепадом температуры из-за неравномерного нагрева воздуха. Энергия ветра – это преобразованная в механическую (кинетическую энергию движущихся воздушных масс) энергия Солнца.

Ветровая энергетика – это получение механической энергии от ветра с последующим преобразованием её в электрическую.

Преобразуют энергию ветра в полезную механическую, электрическую или тепловую энергию ветроэнергетические установки(ВЭУ). Энергия ветра зависит от его силы, т.е. величины давления, оказываемого ветром на единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно его направлению. Оценивают силу ветра и его воздействие на ВЭУ, по шкале Бофора. Например, безветрием считается, если скорость ветра составляет 0…0,2 м/с (дым поднимается вертикально) – условия для работы ВЭУ отсутствуют. Если дым поднимается почти вертикально, на воде поднимается рябь скорость ветра составляет 0,3…1,5 м/с – условия для работы ВЭУ отсутствуют. При слабом ветре (3,4…5,4 м/с, колышутся листья, флаги) начинают работать тихоходные ВЭУ. При свежем ветре (8,0…10,7 м/с, начинают раскачиваться деревья, волны в барашках) хорошие условия для всех ВЭУ.

Недопустимым для работы ВЭУ является шквальный (очень крепкий ветер) – трудно идти, качаются толстые деревья – скорость 17,2…20,7 м/с.

Ураган – скорость ветра свыше 32,6 м/с.

Потенциал энергии ветра в мире огромен. Теоретически эта энергия могла бы удовлетворить все потребности Европы.

Интерес к механическим установкам, использующих энергию ветра сильно возрос после резкого скачка цен на нефть в 1973г. Наибольшая доля (до 3%) в производстве электроэнергии ВЭС получена в 1993г. в Дании, где ветровые турбины рассеяны по всей стране. Большая часть существующих ветроустановок построена в конце 1970-начале 1980-х гг.

Ветроэлектрические установки, работающие в автономном режиме должны иметь аккумулирующие и преобразующие устройства, что существенно повышает их стоимость. Установкам, которые работают в единой энергосистеме, такие устройства не нужны. В качестве аккумулятора для таких установок выступает электрическая сеть. Однако данное обстоятельство значительно повышает требования к качеству производимой электроэнергии и требует принятия мер для синхронизации работы электрического генератора установки с электрической сетью по частоте, напряжению и другим параметрам.

Максимальная проектная мощность ветроустановки определяется для некоторой стандартной скорости ветра, обычно принимаемой равной 12 м/с. Скорость ветра увеличивается с высотой над поверхностью Земли. Ветроколесо должно устанавливаться достаточно высоко над местными препятствиями, чтобы набегающий на него ветровой поток был сильным, однородным и с минимальными изменениями скорости и направления.

Одно из основных условий при проектировании ветроустановок – обеспечение их защиты от разрушения очень сильными порывами ветра. В каждой местности в среднем раз в 50 лет бывают ветры со скоростью в 5—10 раз превышающей среднюю, поэтому ветроустановки приходится проектировать с большим запасом прочности.

Наилучшим местом для размещения ветроустановки является гладкая, куполообразная, ничем не затенённая возвышенность. Желательно, чтобы ветроустановка в радиусе нескольких сотен метров была окружена полями или водной поверхностью. Головки ветроустановок находятся на высоте от 5 до 50м.

В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии ветроустановками составляет 25—35% его максимального проектного значения. Срок службы ветроустановок обычно не менее 15—20 лет, а их стоимость колеблется от 1000 до 1500 дол. США за 1 кВт проектной мощности. Официальные оценки возможной доли ветроэнергетики в энергетике в целом, например в Великобритании и Германии, дают не менее 20%.

Автономные ветроустановки весьма перспективны для вытеснения дизельных электростанций, отопительных установок, водоподъёмников и других машин, работающих на нефтепродуктах, особенно в отдалённых районах и на островах, где централизованное энергоснабжение экономически нецелесообразно или вообще невозможно.

Стоимость ветровой энергии снижается на 15% в год и даже сегодня может конкурировать на рынке, и имеет перспективы дальнейшего снижения в отличие от стоимости энергии, получаемой на АЭС (последняя повышается на 5% в год).