Автоматизация лабораторной установки "Фотоэлектрическая станция"

 

 
 
Аңдатпа

Бітіру жұмысында фотоэлектрлік  станциялардың  (ФЭС) салыстырмалы анализі  жүргізілген. Бұл жұмыста гелиостатпен басқару жүйесі және ФЭС сигналдарын  өңдеу және жинақтаудың ақпараттық бағдарлама-техникалық кешені әзірленген. Бағдарламалық қамтамассыздандыру  LABVIEW графикалық бағдарламалық ортада жүзеге асырылған.

Сонымен қатар берілген жұмыста экономика және өміртіршілік қауіпсіздігі мәселелері қаралды.

 

Аннотация

В выпускной работе проведен сравнительный анализ фотоэлектрических  станций (ФЭС). В работе разработано программное обеспечение  информационной системы сбора и обработки сигналов ФЭС и системы управления гелиостатом. Программное обеспечение реализовано в среде графического программирования LABVIEW.

Также в данной работе рассмотрены  вопросы экономики и безопасности жизнедеятельности.

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

Современные наиболее используемые источники электроэнергии это гидро -, тепло - и атомные электростанции. Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов, а также их пагубное влияние на природу (экологию), всё с нарастающей остротой показывают неизбежность перехода к нетрадиционным, альтернативным источникам энергии. Они экологичны, возобновляемы, основой их служит энергия Солнца и Земли. К тому же возобновляемые энергоресурсы распределены относительно равномерно, поэтому лидерство в их использовании, скорее всего, завоюют страны с квалифицированной рабочей силой, восприимчивостью к нововведениям, эффективным финансовым структурам и стратегическим предвидением.

Прогнозы развития мировой  энергетики предсказывают все возрастающую долю возобновляемых источников в будущем (рис. 1) [3]. Доля возобновляемых источников энергии, среди которых солнечная энергия играет основную роль, будет неуклонно расти, и, по прогнозам, к концу XXI века может составить более 65%.

Рисунок 1 - Прогноз развития мирового энергоснабжения по одному из сценариев

Согласно Программе  развития электроэнергетики до 2030 г. общий объем необходимых инвестиций для удовлетворения прогнозируемого спроса до 2030г. в секторе электроэнергетики может составить около 12 млрд. долл. США. Эти средства должны быть использованы для восстановления генерирующих мощностей и сетевого хозяйства. Общий объем спроса на новые генерирующие мощности составляет 320 МВт, 1900 МВт, 2200 МВт, 4300 МВт, в 2005, 2010, 2015 и 2030 годах соответственно. Предполагается, что 500 МВт от указанного общего объема новых мощностей будет составлять солнечная энергетика. В таблице 1 приведены темпы роста различных отраслей возобновляемой энергетики в целом по Европейскому союзу. Из таблицы видно, что фотоэнергетические системы имеют самые высокие темпы роста.

Т а б л и ц  а 1 - Темпы роста различных отраслей возобновляемой энергетики

Вид энергетики	Темпы прироста, % в год
Ветроэнергетика	20
Солнечные тепловые системы Солнечные фотоэнергетические системы	10 ~50
Биогаз Биодизель	9 30
Биоэтанол	16

 

Среди развитых стран, фотоэнергетика развивается  наиболее интенсивно в Японии, где выпуск солнечных модулей за шесть лет увеличился более чем в 10 раз (с 35 МВт в 1997г. до 364 МВт в 2003г.), в то время как в мире за этот же период - в 6 раз (с 125,8 до 760 МВт). По заключению комиссии стратегических исследований при президенте США в XXI веке темпы роста солнечной энергетики будут значительно выше, чем даже в таких бурно развивающихся отраслях, как компьютерные технологии.

На рисунке 2 приведен прогноз развития фотоэнергетики в развитых странах.

Рисунок 2 - Прогноз развития фотоэнергетики

Введение в хозяйственную  деятельность энергии солнца путем  преобразования ее в электрическую энергию является глобальной задачей, в полной мере соответствующей программе индустриально - инновационного развития Республики Казахстан. Это отражено в программных документах, выдвинутых Президентом Республики Казахстан, Постановлениях Правительства Республики Казахстан.

Актуальность  развития солнечной энергетики в Республике Казахстан и, соответственно, необходимых технических средств - фотоэлектрических систем определяются следующими факторами:

- Казахстан  занимает территорию свыше 2,7 млн. км с благоприятными географическими и климатическими условиям для использования фотоэлектрических систем. Количество солнечных часов составляет 2200-3000 часов в год, а суммарная дневная радиация при реальных условиях облачности в республике составляет 3,8-5,2 кВт*ч/м². Для сравнения: среднее количество солнечных часов во Вьетнаме 2200 ч. (2,4-5,9 кВт*ч/кв.м.), Китае - 2500 ч. (4,5-6 кВт*ч/кв.м.), в Германии, Великобритании, Норвегии, Японии - менее 1000 ч в год.

-  наличие большого числа объектов сельского хозяйства, ферм, поселков, кочевий, лишенных электроэнергии. Количество населенных пунктов, не имеющих электроснабжения, по данным журнала «Ветровая энергия в Казахстане» составляет порядка 5 000.

- большая протяженность нефте- и газопроводов, автомобильных трасс в местах лишенных электроэнергии, необходимость электрификации национальных парков, мест туризма.

- международные обязательства Казахстана по улучшению экологической обстановки и сокращению выбросов парниковых газов.

Важное свойство солнечной  энергетики - возможность децентрализованного  производства электроэнергии, сокращение распределительных сетей, размещение генерирующих мощностей непосредственно у потребителей, что способствует существенному снижению стоимости электроснабжения автономных объектов на территориях с низкой плотностью населения.

Достоинства солнечной энергетики:

-  общедоступность и неисчерпаемость источника;

-  полная безопасность для окружающей среды.

Недостатки  солнечной энергетики:

-  из-за относительно небольшой величины солнечной постоянной для солнечной энергетики требуется использование больших площадей земли под электростанции (например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров). Однако, этот недостаток не так велик, например, гидроэнергетика выводит из пользования большие участки земли. К тому же фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8—2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельскохозяйственных нужд, например, для выпаса скота; проблема нахождения больших площадей земли под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных электростанций, пригодных как для наземного, так и для морского, и для высотного базирования;

- поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата. В разных местах среднее количество солнечных дней в году может различаться очень сильно [4].

Таким образом, одним из приоритетных альтернативных источников энергии является солнечная энергия. Для преобразования солнечной энергии в электрическую используются фотопанели разных конструкций и мощностей. Но преобразование энергии недостаточно, ее еще необходимо сохранить и преобразовать для дальнейшего использования в сети. Поэтому необходимы целые фотоэлектрические станции - ФЭС на основе фотопанелей [1].

Проведенный аналитический анализ показал, что в настоящее время в связи с отсутствием на рынке ФЭС отечественного производства мощностью 5-10 кВт, для локальных целей электропотребления используются только ФЭС мощностью до 1 кВт. Но есть уже заказы на ФЭС мощностью 5-10 кВт и более. Однако в Республике Казахстан ФЭС такой мощности не производятся. В основном все ФЭС, функционирующие в Казахстане, это - либо зарубежные станции, которые достаточно дорогие, либо казахстанский эксклюзив, изготовленный в «гараже». А по нашим оценкам емкость данного рынка составляет от 20 до 30 МВт на сегодня.

Алматинский институт Энергетики и Связи занимается разработкой учебной лаборатории по возобновляемым источникам энергии. Данная выпускная работа выполняется в рамках этой работы на кафедрах АИЭС – «Инженерная кибернетика» и «Промышленная теплоэнергетика».

 Целью данной выпускной работы является разработка программного обеспечения системы автоматизации лабораторной установки «Фотоэлектрическая станция».  На основании выше изложенного в работе необходимо решить следующие задачи:

-     провести аналитический обзор существующих ФЭС;

- привести описание разрабатываемой лабораторной установки «Фотоэлектрическая станция»;

-     разработать программное обеспечение информационно-измерительной подсистемы  ФЭС;

- разработать программное обеспечение системы управления исполнительными механизмами гелиостата;

-     безопасность жизнедеятельности;

-     технико–экономическое обоснование.

 

Глава 1.  АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

В настоящее  время фотоэлектрические станции (ФЭС) имеют большое применение для выработки электроэнергии. В больших объемах выпускаются фотоэлектрические станции различной установленной мощности, для работы автономно и в энергосистемах. Совершенствованием систем преобразования солнечной энергии в электрическую успешно занимаются в странах Европы, Америки, в Китае, Индии. В мире параллельно с разработкой новых фотопанелей идет и разработка новых схем и блоков управления по автоматическому управлению локальной энергосистемой, включающей фотоэлектрическую панель, контроллер, аккумуляторную батарею, инвертор.

Структура большинства  фотоэлектрических станций представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Структурная схема фотоэлектрических систем

 

Фотопанель (Ф) —  устройство приема солнечных  лучей и преобразования их в электрическую энергию.

Аккумуляторная батарея (А) - АКБ. В аккумуляторе накапливается  энергия, выработанная солнечным модулем. Во многих случаях необходимо, чтобы электроприборы и оборудование работали и при отсутствии света. Наиболее приемлемы для этой цели свинцово-кислотные и щелочные АКБ.

Контроллер - (К ) предназначен для управления режимами заряда-разряда  АКБ. Он отключает солнечные модули от АКБ при ее полной зарядке, предотвращая выкипание электролита, а также отключает нагрузку по достижении АКБ установленной глубины разряда.

Инвертор (И) - предназначен для преобразования постоянного  напряжения 12В в переменное напряжение 220В.

Фотоэлектрические установки качают воду, обеспечивают ночное освещение, заряжают аккумуляторы, подают электричество в общую энергосистему и т. д. (рис. 1.2). Они работают в любую погоду. При переменной облачности они достигают 80% своей потенциальной производительности; в туманную погоду - около 50%, и даже при сплошной облачности они вырабатывают до 30% энергии.

 

 

Рисунок 1.2 – Примеры использования ФЭС

Насосные установки, работающие на солнечных фотоэлементах, эффективны и экономически выгодны в условиях практически любого применения водных насосов. Энергетические компании США обнаружили, что экономичнее использовать водяные насосы на солнечной батарее, чем обслуживать распределительные электрические линии, ведущие к удаленным насосам. Некоторые коммунальные предприятия предлагают насосные установки на фотоэлементах для выполнения заявок клиентов.

В сельских районах находится  и другое применение фотоэлектрическим  системам - зарядка и освещение  электрических изгородей; обеспечение  циркуляции воды, вентиляции, света  и кондиционирования воздуха  в теплицах и гидропонных сооружениях.

Фотоэлектрические модули снабжали электричеством воздушный  шар "Breitling Orbiter 3" (рис. 1.3) во время его беспосадочного полета вокруг земного шара. В течение трех недель в марте 1999 г. все оборудование на борту воздушного шара питалось от 20 модулей, подвешенных под корзиной. Каждый модуль был наклонен так, чтобы давать равномерный ток во время движения и заряжать пять аккумуляторов для навигационных приборов, питать систему спутниковой связи, обеспечивать освещение и нагрев воды. Все модули отлично работали на протяжении всего путешествия [5].

Фотоэлементы с успехом  применяются для электрификации деревень. В наше время два миллиарда  людей во всем мире живут без электричества. Большая часть из них - в развивающихся  странах, где 75% населения не имеют доступа к электроэнергии. Удаленные деревни часто не подключены к сети. Опыт показывает, что фотоэлементы служат экономически выгодным источником электричества для основных нужд, таких как:

освещение; водозабор; средства связи; медицинские учреждения; 
местный бизнес.

Те, у кого нет доступа  к электроэнергии из сети, часто  пользуются ископаемыми видами топлива - керосином, дизельным топливом. С  его использованием связан ряд проблем:

-    Импорт ископаемого топлива истощает запас конвертируемой валюты в стране;

 

 

Рисунок 1.3 - Воздушный шар "Breitling Orbiter 3"

- Транспортировка топлива затрудняется отсутствием нормальной инфраструктуры;