Помощь студентам в учебе
Обеспечение эффективной работы солнечных модулей с разработкой высоковольтных устройств защиты от загрязнений
|
Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ
МОДУЛЕЙ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 13
1.1 Загрязнение солнечных модулей пылевыми частицами 13
1.2 Осадки и биологические загрязнения, влияющие на эффективность работы
солнечных модулей 20
1.3 Климатические условия, влияющие на эффективность работы солнечных
модулей 28
1.4 Современные способы и технологии очистки солнечных модулей от
загрязнений 29
1.4.1 Ручная очистка солнечных модулей 29
1.4.2 Автоматизированная очистка солнечных модулей 33
1.4.3 Роботизированная очистка солнечных модулей 36
Выводы по главе 1 38
ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УЛАВЛИВАНИЯ ЧАСТИЦ ПЫЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ СОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ 40
2.1 Основные свойства и характеристики частиц пыли 40
2.1.1 Электрические характеристики частиц пыли 42
2.2 Анализ сил, действующих на частицы пыли в электрическом поле
солнечного модуля 48
2.3 Определение степени улавливания пылевых частиц в электрическом поле
солнечного модуля 54
Выводы по главе 2 56
ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ ОТ ПЫЛЕВЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ 58
3.1 Морфологический анализ технического решения 58
3.1.1 Материал осадительных электродов 59
3.1.2 Компоновка проволочных электродов 59
3.1.3 Напряжение на проволочных осадительных электродах 60
3.2 Конструктивные параметры устройства 60
3.2.1 Режимные параметры устройства 67
3.3 Расчет эффективности улавливания пылевых частиц 68
Выводы по главе 3 75
ГЛАВА 4 ПРОГРАММА, МЕТОДИКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 76
4.1 Программа экспериментов 76
4.2 Исследование времени загрязнения поверхности и периода работы модулей
до критического значения снижения генерации 76
4.3 Разработка экспериментальной установки для испытаний устройства
предотвращения запыления солнечных модулей 83
4.3.1 Условия проведения эксперимента 84
4.3.2 Выбор источника высокого напряжения для питания устройства,
предотвращающего загрязнение модулей 86
4.3.2.1 Требования к источнику высокого напряжения 86
4.3.3 Результаты экспериментальных исследований 89
4.4 Рекомендации по использованию устройств предотвращения запыления
солнечных модулей при эксплуатации для безопасной работы гелиоэнергетических установок 91
4.5 Направления дальнейших исследований по использованию устройств,
предотвращающих загрязнение солнечных модулей 93
Выводы по главе 4 95
ГЛАВА 5 РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСТРОЙСТВА 96
5.1 Технико-экономический и энергетический эффект от применения УПЗ
солнечных модулей 97
5.2 Расчет экономической эффективности использования УПЗ СМ на
предприятии Челябинской области 98
Выводы по главе 5 99
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 100
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 102
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ
МОДУЛЕЙ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 13
1.1 Загрязнение солнечных модулей пылевыми частицами 13
1.2 Осадки и биологические загрязнения, влияющие на эффективность работы
солнечных модулей 20
1.3 Климатические условия, влияющие на эффективность работы солнечных
модулей 28
1.4 Современные способы и технологии очистки солнечных модулей от
загрязнений 29
1.4.1 Ручная очистка солнечных модулей 29
1.4.2 Автоматизированная очистка солнечных модулей 33
1.4.3 Роботизированная очистка солнечных модулей 36
Выводы по главе 1 38
ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УЛАВЛИВАНИЯ ЧАСТИЦ ПЫЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ СОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ 40
2.1 Основные свойства и характеристики частиц пыли 40
2.1.1 Электрические характеристики частиц пыли 42
2.2 Анализ сил, действующих на частицы пыли в электрическом поле
солнечного модуля 48
2.3 Определение степени улавливания пылевых частиц в электрическом поле
солнечного модуля 54
Выводы по главе 2 56
ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ ОТ ПЫЛЕВЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ 58
3.1 Морфологический анализ технического решения 58
3.1.1 Материал осадительных электродов 59
3.1.2 Компоновка проволочных электродов 59
3.1.3 Напряжение на проволочных осадительных электродах 60
3.2 Конструктивные параметры устройства 60
3.2.1 Режимные параметры устройства 67
3.3 Расчет эффективности улавливания пылевых частиц 68
Выводы по главе 3 75
ГЛАВА 4 ПРОГРАММА, МЕТОДИКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 76
4.1 Программа экспериментов 76
4.2 Исследование времени загрязнения поверхности и периода работы модулей
до критического значения снижения генерации 76
4.3 Разработка экспериментальной установки для испытаний устройства
предотвращения запыления солнечных модулей 83
4.3.1 Условия проведения эксперимента 84
4.3.2 Выбор источника высокого напряжения для питания устройства,
предотвращающего загрязнение модулей 86
4.3.2.1 Требования к источнику высокого напряжения 86
4.3.3 Результаты экспериментальных исследований 89
4.4 Рекомендации по использованию устройств предотвращения запыления
солнечных модулей при эксплуатации для безопасной работы гелиоэнергетических установок 91
4.5 Направления дальнейших исследований по использованию устройств,
предотвращающих загрязнение солнечных модулей 93
Выводы по главе 4 95
ГЛАВА 5 РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСТРОЙСТВА 96
5.1 Технико-экономический и энергетический эффект от применения УПЗ
солнечных модулей 97
5.2 Расчет экономической эффективности использования УПЗ СМ на
предприятии Челябинской области 98
Выводы по главе 5 99
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 100
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 102
Актуальность темы. Около 120 лет назад возникло понятие «энергия». Кратко историю потребления электроэнергии можно изложить так: люди начали бережно использовать возобновляемые источники энергии, но постепенно перешли к безрассудному повсеместному использованию невозобновляемых источников. С развитием промышленности, быстрым ростом населения и уровня его жизни увеличивается и количество энергии, необходимой человеку.
Сейчас ситуация в энергетической политике всего мира меняется - появляется необходимость перехода на возобновляемые источники энергии. Их эффективное развитие решает важные для стран задачи: экономия топливного ресурса, энергоснабжение отдаленных территорий, увеличение рабочих мест, выполнение странами обязательств по охране окружающей среды и сокращение потребления электроэнергии в глобальном масштабе. В России развитие возобновляемых источников энергии имеет большое значение для энергетической безопасности страны, решения социальных и экономических проблем, а также повышения качества жизни населения. Именно поэтому сегодня актуальной является проблема энергосбережения, часто звучит вопрос о том, где найти источник чистой и дешевой энергии, как сохранить и преумножить то количество энергии, которая будет необходима человечеству в долгосрочной перспективе.
В мире быстро и повсеместно внедряются установки на основе возобновляемых источников энергии: ветряные, солнечные, гидроэлектростанции плотно вошли во все сферы нашей жизни и обеспечивают электричеством и тепловой энергией как крупные предприятия, так и частных потребителей. При этом использование возобновляемых источников энергии не должно противоречить основным положениям Федерального закона РФ 12.03.2003 №35- ФЗ «Об электроэнергетике» [1], ГОСТ Р 51595-2000 (Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Коллекторы солнечные. Общие технические условия) [2] и ГОСТ Р 55993-2014/IEC/TS1836:2007 (Национальный стандарт Российской федерации. Системы фотоэлектрические. Термины, определения и символы) [3].
В докладе Международного энергетического агентства (International Energy Agency, IEA) от 6 декабря 2022 года [4] говорится о росте мощности возобновляемых источников энергии в мире на 75% (или на 2400 ГВт) в период 2022 - 2027 гг. Доля ВИЭ в глобальной выработке электроэнергии вырастет с 25% до 38%. К началу 2025 г. ВИЭ обгонят угольные ТЭС и станут крупнейшим источником электроэнергии в мире, выработка электроэнергии на СЭС вырастет к 2027 г. на 1500 ГВт, на ВЭС - на 570 ГВт.
Согласно «Сборнику статистических данных о генерирующих мощностях, работающих на основе ВИЭ 2023», опубликованному Международным агентством по возобновляемым источникам энергии (IRENA) [5], возобновляемая энергетика продолжает расти рекордными темпами, что подтверждает тенденцию к снижению выработки электроэнергии из ископаемого топлива. К концу 2022 г. всемирные генерирующие мощности установок ВИЭ составили 3372 гигаватт (ГВт) благодаря росту на рекордные 295 ГВт, или 9,6% (рисунок 1). Из общего объёма электроэнергетических мощностей 83% пришлось именно на возобновляемые источники энергии, что является впечатляющим показателем...
Сейчас ситуация в энергетической политике всего мира меняется - появляется необходимость перехода на возобновляемые источники энергии. Их эффективное развитие решает важные для стран задачи: экономия топливного ресурса, энергоснабжение отдаленных территорий, увеличение рабочих мест, выполнение странами обязательств по охране окружающей среды и сокращение потребления электроэнергии в глобальном масштабе. В России развитие возобновляемых источников энергии имеет большое значение для энергетической безопасности страны, решения социальных и экономических проблем, а также повышения качества жизни населения. Именно поэтому сегодня актуальной является проблема энергосбережения, часто звучит вопрос о том, где найти источник чистой и дешевой энергии, как сохранить и преумножить то количество энергии, которая будет необходима человечеству в долгосрочной перспективе.
В мире быстро и повсеместно внедряются установки на основе возобновляемых источников энергии: ветряные, солнечные, гидроэлектростанции плотно вошли во все сферы нашей жизни и обеспечивают электричеством и тепловой энергией как крупные предприятия, так и частных потребителей. При этом использование возобновляемых источников энергии не должно противоречить основным положениям Федерального закона РФ 12.03.2003 №35- ФЗ «Об электроэнергетике» [1], ГОСТ Р 51595-2000 (Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Коллекторы солнечные. Общие технические условия) [2] и ГОСТ Р 55993-2014/IEC/TS1836:2007 (Национальный стандарт Российской федерации. Системы фотоэлектрические. Термины, определения и символы) [3].
В докладе Международного энергетического агентства (International Energy Agency, IEA) от 6 декабря 2022 года [4] говорится о росте мощности возобновляемых источников энергии в мире на 75% (или на 2400 ГВт) в период 2022 - 2027 гг. Доля ВИЭ в глобальной выработке электроэнергии вырастет с 25% до 38%. К началу 2025 г. ВИЭ обгонят угольные ТЭС и станут крупнейшим источником электроэнергии в мире, выработка электроэнергии на СЭС вырастет к 2027 г. на 1500 ГВт, на ВЭС - на 570 ГВт.
Согласно «Сборнику статистических данных о генерирующих мощностях, работающих на основе ВИЭ 2023», опубликованному Международным агентством по возобновляемым источникам энергии (IRENA) [5], возобновляемая энергетика продолжает расти рекордными темпами, что подтверждает тенденцию к снижению выработки электроэнергии из ископаемого топлива. К концу 2022 г. всемирные генерирующие мощности установок ВИЭ составили 3372 гигаватт (ГВт) благодаря росту на рекордные 295 ГВт, или 9,6% (рисунок 1). Из общего объёма электроэнергетических мощностей 83% пришлось именно на возобновляемые источники энергии, что является впечатляющим показателем...
В данной научно-квалификационной работе (диссертации) был проведен анализ существующих методов защиты поверхности солнечного модуля от пылевых загрязнений и сделан вывод, что на данный момент отсутствуют совершенные, на 100% эффективные и экономически-выгодные промышленные комплексные технологии по очистке поверхностей солнечных модулей. Проблема снижения выработки электроэнергии и деградации СМ все еще требует решения.
Проведено теоретическое исследование физических и электрических характеристик частиц пыли, оказывающих влияние на работу солнечного модуля. Движение заряженных частиц в электрическом поле солнечного модуля и их осаждение на конструкции устройства защиты происходит под действием нескольких сил: сила сопротивления среды, кулоновская сила, пандеромоторная сила. Даже небольшое запыление ячеек модуля приводит к снижению генерации из-за меньшего количества фотонов, проникающих в полупроводниковый слой. Поэтому своевременная очистка модулей от запыления является важным этапом при их эксплуатации.
Разработанное устройство предотвращения загрязнений (УПЗ), предназначенное для защиты поверхности солнечных модулей от пылевых загрязнений, отличается эффективностью, по причине своей простоты, безопасности и дешевизны данный метод может приобрести большую актуальность в солнечной энергетике. Ранее такое устройство не рассматривалось как метод защиты поверхности солнечных панелей от пылевых загрязнений, что обосновывает научную новизну научно-квалификационной работы (диссертации).
Произведен расчет эффективности предложенного способа предупреждения осаждения частиц на поверхность солнечных панелей, который показал эффективность защиты СМ от мелкодисперсной пыли. Экспериментально подтверждено позитивное влияние использования высоковольтного устройства защиты от пылевых загрязнений на поверхности солнечного модуля - в период проведении эксперимента (14 дней) снижение вырабатываемой мощности солнечным модулем, не защищенным УПЗ, составило около 10%, в то время как вырабатываемая мощность солнечного модуля, защищенного УПЗ, практически не изменилась. Для обеспечения работы защитного устройства выбран источник высокого напряжения. Разработанное устройство является безопасным, устойчивым в работе, имеет небольшие габаритные размеры и вес (по сравнению с существующими на данный момент устройствами очистки и защиты солнечных модулей), не требует от работников, работающих с ним, особых навыков установки, эксплуатации, технического обслуживания и ремонта подобных устройств, имеет срок окупаемости менее 1 года, что подтверждает его выгодность с точки зрения внедрения на действующее предприятие.
Предложены рекомендации по совершенствованию разработанного устройства как в конструкции, так и в определении режимных параметров и используемых материалов, разработке специального источника высокого напряжения для питания УПЗ, проведению моделирования процессов осаждения пыли на поверхность СМ для уточнения теоретических и экспериментальных результатов, разработке систем автоматизированного управления работой устройств с использованием специальных датчиков и сенсоров, разработке устройств для предотвращения загрязнений крупнодисперсными пылевыми частицами, мелким мусором, пометом птиц и др., применению разработанных устройств в других областях народного хозяйства (например, в ЖКХ для защиты оконных стекол от запыления).
Разработанное защитное устройство отвечает всем требованиям нормативно-технической документации и дает положительный экономический эффект в приемлемые сроки. Исходя из вышеперечисленного, данный метод очистки защиты поверхности солнечных модулей может быть рекомендован к внедрению как на крупных солнечных электростанциях, так и на частных единичных солнечных модулях.
Проведено теоретическое исследование физических и электрических характеристик частиц пыли, оказывающих влияние на работу солнечного модуля. Движение заряженных частиц в электрическом поле солнечного модуля и их осаждение на конструкции устройства защиты происходит под действием нескольких сил: сила сопротивления среды, кулоновская сила, пандеромоторная сила. Даже небольшое запыление ячеек модуля приводит к снижению генерации из-за меньшего количества фотонов, проникающих в полупроводниковый слой. Поэтому своевременная очистка модулей от запыления является важным этапом при их эксплуатации.
Разработанное устройство предотвращения загрязнений (УПЗ), предназначенное для защиты поверхности солнечных модулей от пылевых загрязнений, отличается эффективностью, по причине своей простоты, безопасности и дешевизны данный метод может приобрести большую актуальность в солнечной энергетике. Ранее такое устройство не рассматривалось как метод защиты поверхности солнечных панелей от пылевых загрязнений, что обосновывает научную новизну научно-квалификационной работы (диссертации).
Произведен расчет эффективности предложенного способа предупреждения осаждения частиц на поверхность солнечных панелей, который показал эффективность защиты СМ от мелкодисперсной пыли. Экспериментально подтверждено позитивное влияние использования высоковольтного устройства защиты от пылевых загрязнений на поверхности солнечного модуля - в период проведении эксперимента (14 дней) снижение вырабатываемой мощности солнечным модулем, не защищенным УПЗ, составило около 10%, в то время как вырабатываемая мощность солнечного модуля, защищенного УПЗ, практически не изменилась. Для обеспечения работы защитного устройства выбран источник высокого напряжения. Разработанное устройство является безопасным, устойчивым в работе, имеет небольшие габаритные размеры и вес (по сравнению с существующими на данный момент устройствами очистки и защиты солнечных модулей), не требует от работников, работающих с ним, особых навыков установки, эксплуатации, технического обслуживания и ремонта подобных устройств, имеет срок окупаемости менее 1 года, что подтверждает его выгодность с точки зрения внедрения на действующее предприятие.
Предложены рекомендации по совершенствованию разработанного устройства как в конструкции, так и в определении режимных параметров и используемых материалов, разработке специального источника высокого напряжения для питания УПЗ, проведению моделирования процессов осаждения пыли на поверхность СМ для уточнения теоретических и экспериментальных результатов, разработке систем автоматизированного управления работой устройств с использованием специальных датчиков и сенсоров, разработке устройств для предотвращения загрязнений крупнодисперсными пылевыми частицами, мелким мусором, пометом птиц и др., применению разработанных устройств в других областях народного хозяйства (например, в ЖКХ для защиты оконных стекол от запыления).
Разработанное защитное устройство отвечает всем требованиям нормативно-технической документации и дает положительный экономический эффект в приемлемые сроки. Исходя из вышеперечисленного, данный метод очистки защиты поверхности солнечных модулей может быть рекомендован к внедрению как на крупных солнечных электростанциях, так и на частных единичных солнечных модулях.
