Помощь студентам в учебе
Разработка резервного источника питания в условиях чрезвычайных ситуаций
|
Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ В ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ И СПОСОБЫ ИХ РЕ
ШЕНИЯ ПУТЕМ ВОЗМОЖНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ 10
1.1 Существующие предпосылки и угрозы возникновения чрезвычайных ситуаций 10
1.2 Факторы, влияющие на возможное применение ВИЭ в качестве резервного источника при чрезвычайных ситуациях 15
1.3 Возможности энергетики возобновляемых источников энергии по предотвращению возникновения и решению негативных последствий чрез
вычайных ситуаций 19
Выводы по разделу 1 22
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАБОТЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИ
СТЕМ В СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ 23
2.1 Современное состояние и развитие фотоэлектрических систем автономного электроснабжения 23
2.2 Сферы применения системы автономного энергоснабжения на основе
солнечных фотоэлектрических технологий 24
2.3 Современные фотоэлектрические технологии 26
2.4 Фасадно-интегрированные фотоэлектрические технологии 30
Выводы по разделу 2 33
3 МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСОВ СОЛНЕЧ
НОЙ ЭНЕРГИИ 35
3.1 Факторы, влияющие на плотность энергии солнечного изучения 35
3.2 Методики оценки ресурсов солнечной энергии 36
3.3 Методики прогнозирования поступления солнечного излучения 38 3.4 Краткосрочное прогнозирование поступления солнечного излучения...39
3.5 Исходная климатологическая информация для оценки солнечных энергетических ресурсов 45
Выводы по разделу 3 51
4 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОСТУПЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА
РАЗЛИЧНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ПОВЕРХНОСТИ 53
4.1 Расчет поступления прямого солнечного излучения на горизонтальную
поверхность для случая абсолютно прозрачной атмосферы 54
4.2 Расчет с учетом влияния атмосферы (поглощение и рассеяние) на плот
ность солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность 54
4.3 Расчет прихода солнечного излучения на произвольно ориентированные
поверхности 55
4.4 Разработка программного обеспечения для расчета поступления солнечного излучения 56
4.5 Расчет солнечного излучения на различно ориентированные поверхности в условиях города Краснодар 57
Выводы по разделу 4 60
5 ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ФИСФЭС 61
5.1 Выбор элементной базы ФИСФЭС, описание и задание основных характеристик элементов 61
5.2 Выбор структурной схемы ФИСФЭС 67
5.3 Определение потребления электроэнергии резервируемым зданием 69
5.4 Методика и алгоритм расчета параметров и выбора оборудования
ФИСФЭС 70
5.5 Расчет параметров ФИСФЭС для г. Краснодар 73
Выводы по разделу 5 79
6 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОНОМНОЙ
ФИСФЭС ОБЩЕСТВЕННОГО ЗДАНИЯ 6.1 Методика оценки экономической эффективности проекта установки
ФИСФЭС 83
6.2 Расчет экономической эффективности проекта ФИСЭФС в городе Краснодар 90
Выводы по разделу 6 102
7 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ К ФУНКЦИОНИРОВАНИЮ ФЭС 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 105
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 108
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА АВТОНОМНОЙ ЭНЕР
ГОСИСТЕМЫ 113
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АЛГОРИТМ РАБОТЫ ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА ПО
СТУПЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 114
ПРИЛОЖЕНИЕ В. ВАРИАНТЫ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ФЭС 116
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ЛИСТИНГ КОДА ПРОГРАММЫ ФУНКЦИИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 118
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ФЭС 128
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. СЕТЕВОЙ ГРАФИК 129
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ В ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ И СПОСОБЫ ИХ РЕ
ШЕНИЯ ПУТЕМ ВОЗМОЖНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ 10
1.1 Существующие предпосылки и угрозы возникновения чрезвычайных ситуаций 10
1.2 Факторы, влияющие на возможное применение ВИЭ в качестве резервного источника при чрезвычайных ситуациях 15
1.3 Возможности энергетики возобновляемых источников энергии по предотвращению возникновения и решению негативных последствий чрез
вычайных ситуаций 19
Выводы по разделу 1 22
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАБОТЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИ
СТЕМ В СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ 23
2.1 Современное состояние и развитие фотоэлектрических систем автономного электроснабжения 23
2.2 Сферы применения системы автономного энергоснабжения на основе
солнечных фотоэлектрических технологий 24
2.3 Современные фотоэлектрические технологии 26
2.4 Фасадно-интегрированные фотоэлектрические технологии 30
Выводы по разделу 2 33
3 МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСОВ СОЛНЕЧ
НОЙ ЭНЕРГИИ 35
3.1 Факторы, влияющие на плотность энергии солнечного изучения 35
3.2 Методики оценки ресурсов солнечной энергии 36
3.3 Методики прогнозирования поступления солнечного излучения 38 3.4 Краткосрочное прогнозирование поступления солнечного излучения...39
3.5 Исходная климатологическая информация для оценки солнечных энергетических ресурсов 45
Выводы по разделу 3 51
4 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОСТУПЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА
РАЗЛИЧНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ПОВЕРХНОСТИ 53
4.1 Расчет поступления прямого солнечного излучения на горизонтальную
поверхность для случая абсолютно прозрачной атмосферы 54
4.2 Расчет с учетом влияния атмосферы (поглощение и рассеяние) на плот
ность солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность 54
4.3 Расчет прихода солнечного излучения на произвольно ориентированные
поверхности 55
4.4 Разработка программного обеспечения для расчета поступления солнечного излучения 56
4.5 Расчет солнечного излучения на различно ориентированные поверхности в условиях города Краснодар 57
Выводы по разделу 4 60
5 ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ФИСФЭС 61
5.1 Выбор элементной базы ФИСФЭС, описание и задание основных характеристик элементов 61
5.2 Выбор структурной схемы ФИСФЭС 67
5.3 Определение потребления электроэнергии резервируемым зданием 69
5.4 Методика и алгоритм расчета параметров и выбора оборудования
ФИСФЭС 70
5.5 Расчет параметров ФИСФЭС для г. Краснодар 73
Выводы по разделу 5 79
6 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОНОМНОЙ
ФИСФЭС ОБЩЕСТВЕННОГО ЗДАНИЯ 6.1 Методика оценки экономической эффективности проекта установки
ФИСФЭС 83
6.2 Расчет экономической эффективности проекта ФИСЭФС в городе Краснодар 90
Выводы по разделу 6 102
7 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ К ФУНКЦИОНИРОВАНИЮ ФЭС 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 105
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 108
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА АВТОНОМНОЙ ЭНЕР
ГОСИСТЕМЫ 113
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АЛГОРИТМ РАБОТЫ ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА ПО
СТУПЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 114
ПРИЛОЖЕНИЕ В. ВАРИАНТЫ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ФЭС 116
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ЛИСТИНГ КОДА ПРОГРАММЫ ФУНКЦИИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 118
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ФЭС 128
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. СЕТЕВОЙ ГРАФИК 129
Чрезвычайная ситуация — это обстановка на определенной территории,
сложившаяся в результате аварии, опасного природного явления, катастрофы,
стихийного или иного бедствия, которая имеет вероятность повлечь или повлекла
за собой человеческие жертвы, а также ущерб здоровью людей или окружающей
среде, значительные материальные потери и нарушение условий жизнедеятельности человеческого общества. Решение о введении режима чрезвычайной ситуации
в зависимости от масштаба ситуации принимается Правительством, Министерством по чрезвычайным ситуациям Российской Федерации или соответствующими комиссиями по чрезвычайным ситуациям .
Солнечная энергетика является одним из возможных резервных источников
энергоснабжения в ближайшем будущем. Однако уже в нынешнее время в случае
возникновения чрезвычайной ситуации возможно применять производимую солнечными энергоустановками энергию для целей обеспечения бесперебойного
электроснабжения объектов малой мощности и водоснабжения небольших потребителей, опреснения воды.
Устройства для прямого преобразования энергии светового потока Солнца в
электрическую энергию называются фотоэлектрическими элементами. Преобразование энергии падающего солнечного света в электричество происходит в фотоэлементах, материалом изготовления которых являются полупроводниковые
элементы, например, кремний. Полупроводниковые материалы под воздействием
солнечного светового излучения генерируют электрический ток. Фотоэлементы
соединяются в модули, которые, в свою очередь, присоединяются друг к другу.
Таким образом формируются крупные фотоэлектрические установки (ФЭУ). Коэффициент полезного действия (КПД) ФЭУ на сегодняшний день составляет около 10%, однако отдельные фотоэлектрические элементы способны достигать эффективности более 20%. Фотоэлектрические системы классифицируются по множеству параметров,
например, типу монтажа, месту установки, интегрированности в сеть общего
пользования и многим другим. Наиболее важной классификацией, имеющей решающее влияние на правильный выбор системы в целом, и резервных систем в
частности, является разделение фотоэлектрических систем на сетевые, автономные и гибридные.
Сетевая фотоэлектрическая система — наиболее простая и распространенная система взаимодействия фотоэлектрических панелей с местной электросетью
и потребителями электричества. Простая сетевая система состоит всего из двух
компонентов – массива фотоэлектрических модулей и сетевого инвертора. Такой
инвертор синхронизируется с сетью и преобразовывает постоянный ток из солнечных батарей в переменный. Простая сетевая система имеет существенный недостаток: она не обеспечивает автономность работы, и функционирует только при
наличии внешней сети.
Автономная фотоэлектрическая система — система, которая работает без
подключения к общей электрической сети. Электроэнергия, вырабатываемая автономной системой, не передается в сеть общего пользования, а питает только
объекты, подключенные непосредственно к этой системе. Чаще всего автономные
системы проектируются для использования в качестве резервных систем, поэтому
включают в себя блоки аккумуляторов с контроллерами заряда для накопления
неиспользуемой электроэнергии. Данные системы более предпочтительны в качестве источников питания при чрезвычайных ситуациях.
Гибридная система — наиболее сложный тип фотоэлектрической системы,
так как обладает преимуществами обоих типов систем. Гибридная фотоэлектрическая система работает одновременно как сетевая и автономная, позволяя экономить электроэнергию на протяжении дня и не остаться без электрической энергии в случае отключения общей сети.
...
сложившаяся в результате аварии, опасного природного явления, катастрофы,
стихийного или иного бедствия, которая имеет вероятность повлечь или повлекла
за собой человеческие жертвы, а также ущерб здоровью людей или окружающей
среде, значительные материальные потери и нарушение условий жизнедеятельности человеческого общества. Решение о введении режима чрезвычайной ситуации
в зависимости от масштаба ситуации принимается Правительством, Министерством по чрезвычайным ситуациям Российской Федерации или соответствующими комиссиями по чрезвычайным ситуациям .
Солнечная энергетика является одним из возможных резервных источников
энергоснабжения в ближайшем будущем. Однако уже в нынешнее время в случае
возникновения чрезвычайной ситуации возможно применять производимую солнечными энергоустановками энергию для целей обеспечения бесперебойного
электроснабжения объектов малой мощности и водоснабжения небольших потребителей, опреснения воды.
Устройства для прямого преобразования энергии светового потока Солнца в
электрическую энергию называются фотоэлектрическими элементами. Преобразование энергии падающего солнечного света в электричество происходит в фотоэлементах, материалом изготовления которых являются полупроводниковые
элементы, например, кремний. Полупроводниковые материалы под воздействием
солнечного светового излучения генерируют электрический ток. Фотоэлементы
соединяются в модули, которые, в свою очередь, присоединяются друг к другу.
Таким образом формируются крупные фотоэлектрические установки (ФЭУ). Коэффициент полезного действия (КПД) ФЭУ на сегодняшний день составляет около 10%, однако отдельные фотоэлектрические элементы способны достигать эффективности более 20%. Фотоэлектрические системы классифицируются по множеству параметров,
например, типу монтажа, месту установки, интегрированности в сеть общего
пользования и многим другим. Наиболее важной классификацией, имеющей решающее влияние на правильный выбор системы в целом, и резервных систем в
частности, является разделение фотоэлектрических систем на сетевые, автономные и гибридные.
Сетевая фотоэлектрическая система — наиболее простая и распространенная система взаимодействия фотоэлектрических панелей с местной электросетью
и потребителями электричества. Простая сетевая система состоит всего из двух
компонентов – массива фотоэлектрических модулей и сетевого инвертора. Такой
инвертор синхронизируется с сетью и преобразовывает постоянный ток из солнечных батарей в переменный. Простая сетевая система имеет существенный недостаток: она не обеспечивает автономность работы, и функционирует только при
наличии внешней сети.
Автономная фотоэлектрическая система — система, которая работает без
подключения к общей электрической сети. Электроэнергия, вырабатываемая автономной системой, не передается в сеть общего пользования, а питает только
объекты, подключенные непосредственно к этой системе. Чаще всего автономные
системы проектируются для использования в качестве резервных систем, поэтому
включают в себя блоки аккумуляторов с контроллерами заряда для накопления
неиспользуемой электроэнергии. Данные системы более предпочтительны в качестве источников питания при чрезвычайных ситуациях.
Гибридная система — наиболее сложный тип фотоэлектрической системы,
так как обладает преимуществами обоих типов систем. Гибридная фотоэлектрическая система работает одновременно как сетевая и автономная, позволяя экономить электроэнергию на протяжении дня и не остаться без электрической энергии в случае отключения общей сети.
...
В данной работе проанализировано современное состояние систем электроснабжения зданий, рассмотрены проблемы применения ВИЭ при чрезвычайных
ситуациях и пути их решения, приведены примеры внедрения солнечных фотоэлектрических систем в качестве резервных источников питания здания при возникновении чрезвычайных ситуаций, выявлены наиболее эффективные варианты
применения и исполнения СФЭУ. Установлено, что применение резервного электроснабжения с использованием солнечных батарей целесообразно для зданий и
сооружений.
В данной выпускной квалификационной работе был проведен обзор современных тенденций и способов реализации фотоэлектрических систем, приведена
их классификация. Сделан вывод о перспективности использования тонкопленочных технологий изготовления СЭ в данном секторе фотоэлектрических технологий. Проведен анализ современных методик оценки ресурсов солнечной энергии
и прогнозирования поступления СИ. Для конкретного места размещения наиболее
простой с точки зрения практического применения и высокой точности является
параметрические методики Iqbal C и Bird and Hulstrom Model. Представлена классификация и описание краткосрочных прогнозов, даны рекомендации по использованию различных методик прогнозирования в соответствии с характеристиками
имеющихся исходных данных и прогнозным периодом (внутричасовое, внутрисуточное, прогнозирование «на сутки вперед»). Проведен аналитический обзор
наиболее крупных электронных баз данных, содержащих природноклиматическую информацию для расчета ресурсов солнечной энергии. Установлено, что наиболее целесообразно использовать информацию из всемирных баз
данных: Meteonorm и NASA SSE. Для удобства извлечения информации из NASA
SSE рекомендуется использовать программное обеспечение RETScreen или База
климатологических данных для территории Российской Федерации. Была сформулирована инновационная методика расчета поступления потока солнечного излучения на произвольно ориентированную световоспринимающую поверхность при реальных климатических условиях. Основой для данной
методики послужило программное обеспечение, которое позволяет определять
плотность потока энергии полного солнечного излучения, поступающего на произвольно ориентированную поверхность в точке с заданными географическими
координатами для заданного временного периода с учетом прохождения потока
сквозь атмосферу в реальных условиях облачности. Посредством программного
кода произведен расчет почасовых значений прихода солнечного излучения и построена практически применяемая схема распределения поступления солнечного
излучения в течение года на поверхности с различной ориентацией в климатических условиях города Краснодар. Исходя из расчетов, годовой приход энергии
солнечного излучения составляет 1388 кВт∙ч/м2. Было выявлено, что наиболее
оптимально применение южной ориентации при значении угла наклона, составляющее 30°, тем самым приход солнечного излучения в течение года увеличивается на 12,6 % до 1563 кВт∙ч/м2, а при 90º - уменьшается на 28,3%, однако при
изменении ориентации на юго-запад (юго-восток), потери увеличиваются несущественно – 31,2 %.
...
ситуациях и пути их решения, приведены примеры внедрения солнечных фотоэлектрических систем в качестве резервных источников питания здания при возникновении чрезвычайных ситуаций, выявлены наиболее эффективные варианты
применения и исполнения СФЭУ. Установлено, что применение резервного электроснабжения с использованием солнечных батарей целесообразно для зданий и
сооружений.
В данной выпускной квалификационной работе был проведен обзор современных тенденций и способов реализации фотоэлектрических систем, приведена
их классификация. Сделан вывод о перспективности использования тонкопленочных технологий изготовления СЭ в данном секторе фотоэлектрических технологий. Проведен анализ современных методик оценки ресурсов солнечной энергии
и прогнозирования поступления СИ. Для конкретного места размещения наиболее
простой с точки зрения практического применения и высокой точности является
параметрические методики Iqbal C и Bird and Hulstrom Model. Представлена классификация и описание краткосрочных прогнозов, даны рекомендации по использованию различных методик прогнозирования в соответствии с характеристиками
имеющихся исходных данных и прогнозным периодом (внутричасовое, внутрисуточное, прогнозирование «на сутки вперед»). Проведен аналитический обзор
наиболее крупных электронных баз данных, содержащих природноклиматическую информацию для расчета ресурсов солнечной энергии. Установлено, что наиболее целесообразно использовать информацию из всемирных баз
данных: Meteonorm и NASA SSE. Для удобства извлечения информации из NASA
SSE рекомендуется использовать программное обеспечение RETScreen или База
климатологических данных для территории Российской Федерации. Была сформулирована инновационная методика расчета поступления потока солнечного излучения на произвольно ориентированную световоспринимающую поверхность при реальных климатических условиях. Основой для данной
методики послужило программное обеспечение, которое позволяет определять
плотность потока энергии полного солнечного излучения, поступающего на произвольно ориентированную поверхность в точке с заданными географическими
координатами для заданного временного периода с учетом прохождения потока
сквозь атмосферу в реальных условиях облачности. Посредством программного
кода произведен расчет почасовых значений прихода солнечного излучения и построена практически применяемая схема распределения поступления солнечного
излучения в течение года на поверхности с различной ориентацией в климатических условиях города Краснодар. Исходя из расчетов, годовой приход энергии
солнечного излучения составляет 1388 кВт∙ч/м2. Было выявлено, что наиболее
оптимально применение южной ориентации при значении угла наклона, составляющее 30°, тем самым приход солнечного излучения в течение года увеличивается на 12,6 % до 1563 кВт∙ч/м2, а при 90º - уменьшается на 28,3%, однако при
изменении ориентации на юго-запад (юго-восток), потери увеличиваются несущественно – 31,2 %.
...
