Дипломная работа: Уличное освещение на солнечных батареях
7) в отличие от традиционных источников, этот тип ресурсов практически неиссякаем. Получение традиционных источников энергии сегодня становится всё более дорогим удовольствием и серьёзно бьёт как по карману простых потребителей, так и по бюджетам многих государств.
1.3.2 Недостатки
1) невысокий КПД. Солнечные батареи преобразуют энергию избирательно — для рабочего возбуждения атомов требуются определённые энергии фотонов (частоты излучения), поэтому в одних полосах частот преобразование идёт очень эффективно, а другие частотные диапазоны для них бесполезны. Кроме того, энергия уловленных ими фотонов используется квантово — её «излишки», превышающие нужный уровень, идут на вредный в данном случае нагрев материала фотопреобразователя. Во многом именно этим и объясняется их невысокий КПД. Кстати, неудачно выбрав материал защитного стекла, можно заметно снизить эффективность работы батареи. Дело усугубляется тем, что обычное стекло довольно хорошо поглощает высокоэнергетическую ультрафиолетовую часть диапазона, а для некоторых типов фотоэлементов весьма актуален именно этот диапазон, — энергия инфракрасных фотонов для них слишком мала.
2) чувствительность к загрязнениям. Даже довольно тонкий слой пыли на поверхности фотоэлементов или защитного стекла может поглотить существенную долю солнечного света и заметно снизить выработку энергии. В пыльном городе это потребует частой очистки поверхности солнечных батарей, установленных горизонтально или наклонно. Безусловно, такая же процедура необходима и после каждого снегопада, и после пыльной бури.
3) уменьшение эффективности в течение срока службы. Полупроводниковые пластины, из которых обычно состоят солнечные батареи, со временем деградируют и утрачивают свои свойства, в результате и без того не слишком высокий КПД солнечных батарей становится ещё меньше. Длительное воздействие высоких температур ускоряет этот процесс. Тем не менее, современные фотопреобразователи способны сохранять свою эффективность в течение многих лет. Считается, что в среднем за 25 лет КПД солнечной батареи уменьшается на 10%. Так что обычно гораздо важнее вовремя протирать пыль.
4) Солнечные батареи невозможно использовать в большинстве районов нашей страны из-за погодных условий и недостаточного количества солнечных дней.
5) Чувствительность к высокой температуре. С повышением температуры эффективность работы солнечных батарей, как и большинства других полупроводниковых приборов, снижается. При температурах выше 100..150°С они могут временно стать неработоспособными, а ещё больший нагрев может привести к их необратимому повреждению. Поэтому необходимо принимать все меры для снижения нагрева, неизбежного под палящими прямыми солнечными лучами. Дополнительно осложняет ситуацию то, что чувствительная поверхность довольно хрупких фотоэлементов часто закрывается защитным стеклом или прозрачным пластиком. В результате образуется своеобразный «парник», усугубляющий перегрев. Правда, увеличив расстояние между защитным стеклом и поверхностью фотоэлемента и соединив сверху и снизу эту полость с атмосферой, можно организовать конвекционный поток воздуха, естественным образом охлаждающий фотоэлементы. Однако на ярком солнце и при высокой температуре наружного воздуха этого может оказаться недостаточно. Поэтому солнечная батарея даже не очень больших размеров может потребовать специальной системы охлаждения. Справедливости ради надо заметить, что подобные системы обычно легко автоматизируются, а привод вентилятора или помпы потребляет лишь малую долю вырабатываемой энергии. При отсутствии яркого солнца такого большого нагрева нет и охлаждение вообще не требуется, так что энергия, сэкономленная на приводе системы охлаждения, может быть использована для других целей.
Таблица 1.1- Максимальные значения КПД фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях
| Тип | Коэффициент фотоэлектрического преобразования, % | |
| 1 | 2 | |
| Кремниевые | ||
| Si (кристаллический) | 24,7 | |
| Si (поликристаллический) | 20,3 | |
| Si (тонкопленочная передача) | 16,6 | |
| Si (тонкопленочный субмодуль) | 10,4 | |
| III-V | ||
| GaAs (кристаллический) | 25,1 | |
| GaAs (тонкопленочный) | 24,5 | |
| GaAs (поликристаллический) | 18,2 | |
| InP (кристаллический) | 21,9 | |
| Тонкие пленки халькогенидов | ||
| CIGS (фотоэлемент) | 19,9 | |
| CIGS (субмодуль) | 16,6 | |
| CdTe (фотоэлемент) | 16,5 | |
| Аморфный/Нанокристаллический кремний | ||
| Si (аморфный) | 9,5 | |
| Si (нанокристаллический) | 10,1 | |
| Фотохимические | ||
| На базе органических красителей | 10,4 | |
| На базе органических красителей (субмодуль) | 7,9 | |
| GaInP/GaAs/Ge | 32,0 | |
| GaInP/GaAs | 30,3 | |
1.4 Погодные условия и количество солнечного излучения города Владивостока
Солнечные батареи, в том числе аккумуляторы чувствительны к перепадам температуры. Для определения целесообразности использования солнечных батарей в Приморском крае нужно знать:
· Температурный режим, а именно определение средних минимумов и абсолютного минимума.
· Количество солнечного излучения.
1.4.1 Погодные условия
Какой же температурный фон на территории нашего края в ночные часы возможен в середине зимы. Этот фон можно охарактеризовать такими основными параметрами, как средний минимум, абсолютный и средний из абсолютных минимумов температуры воздуха.
Средний минимум температуры воздуха – это величина, полученная путем осреднения ежедневного отсчета по минимальному термометру, установленному в психрометрической будке[3]. Естественно, что такая температура может существенно отличаться от той, которую пытаются измерить за окном на балконе или еще где-то на открытом воздухе и при этом обычным, а не метеорологическим термометром. Средний минимум температуры воздуха дает представление о преобладающей температуре в течение месяца в наиболее холодную часть суток и, как показывает суточный ход, такая температура держится зимой в среднем несколько часов в конце ночи и утром. На эту температуру местные условия влияют в гораздо большей степени, чем на среднесуточную. При одной и той же высоте станции над уровнем моря в низинах, котловинах и узких долинах, куда стекает и где застаивается холодный воздух, минимальная температура может быть ниже, чем на склонах или вершинах сопок.
В январе средние минимальные температуры воздуха в большинстве районов края составляют 22-27°C, в горах до 30°C, в южных районах и на побережье, в основном, 14-18°C мороза.
В континентальной части Приморья абсолютный минимум регистрируется обычно в тихие ясные морозные ночи при ослабленном турбулентном обмене, поэтому он еще более зависим от местных условий. А вот на побережье такая закономерность не наблюдается, здесь чаще всего самые сильные морозы регистрируются при резком похолодании с усилением ветра до штормового, то есть понижение температуры осуществляется не за счет радиационного фактора. Чаще всего абсолютный минимум принадлежит январю, но в отдельные годы может отмечаться в феврале и еще реже в декабре.
Первое место по числу наблюденных абсолютных (исторических) минимумов занимает январь 1915 года, для станций, открытых в более поздние сроки таковым является январь 1951 года, а для южной части края январь 1931 года. В холодный январь 2000г. был перекрыт абсолютный минимум в п. Барабаш (Хасанский район) и п. Кавалерово.
Для большинства континентальных районов края абсолютный минимум достигал 40-44°C мороза, в Красноармейском, Чугуевском и Пожарском районах еще ниже 47-49°C; в западных и местами в южных районах 36-39°C, а на побережье 26-30°C мороза. Во Владивостоке абсолютный минимум (-31.4°C) был зарегистрирован в далеком 1931 году.
Конечно, такие экстремумы явление редкое и регистрируется 1-2 раза в
50-100 лет, но средние значения из ежегодных абсолютных минимумов представляют собой вполне ожидаемые величины и являются достаточно реальными показателями самой низкой температуры воздуха. На рисунке 4.1 представлены значения среднего абсолютного минимума. Как видим, разброс значений достаточно велик: от -31.8°C в п. Глубинное (Красноармейский район) – до 12.8°C мороза в п. Преображение (Лазовский район). Разница между абсолютным и средним минимумом составляет в большинстве районов края 6-9°C, на побережье местами 3-5°C. Анализ динамики хода средней из минимальных температур воздуха показывает наличие положительного тренда. По сравнению со средними значениями, рассчитанными по 1980г., эти значения за последние 30 лет в большинстве районов края повысились на 0.7-1.2°C, а в отдельных районах на 2.3-2.9°C.
Рисунок 1.2 – Средние температурные режимы Приморского края
1.4.2 Солнечное излучение
В ясную погоду на 1м² земной поверхности в среднем падает 1000 Ватт (Вт) световой энергии солнца[4]. В зависимости от местности участка земли солнечная энергия поступает неравномерно из-за облачности в пасмурную погоду, есть места, где солнце светит 320-350 дней в году, а есть такие места, где солнца не бывает вообще. Исходя из этого, прежде чем ставить солнечные батареи с целью выработки электричества, необходимо определить эффективность применения данного метода.
Как только Солнце начинает склоняться к горизонту, путь его лучей сквозь атмосферу начинает увеличиваться, соответственно, возрастают и потери на этом пути. Однако и в средней полосе в летний полдень на каждый квадратный метр, ориентированный перпендикулярно солнечным лучам, приходится более 1 кВт солнечной энергии.
Общее количество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли в 6,7 раз больше мирового потенциала ресурсов органического топлива. Приморский край относится к регионам России, где целесообразно использовать солнечную энергию для целей энергообеспечения. Число солнечных дней в году в среднем по Приморскому краю составляет 310, при общей продолжительности солнечного сияния более 2000 часов. По продолжительности поступления солнечной энергии, есть районы, где число дней без солнца всего 26 в году, а продолжительность солнечного сияния 2494 часа (п. Пограничный). На северном побережье Приморского края продолжительность солнечного сияния от 1900 до 2100 часов, на южном – от 2000 до 2200 часов.
В целом, мощность поступления солнечной энергии на территорию Приморского края составляет около 30 миллиарда киловатт (кВт).
1.5 Традиционные системы управления уличным освещением
Сегодня наиболее распространенны газоразрядные лампы уличного освещения, заполненные парами ртути или натрия. В последнее время наблюдается тенденция перехода на светодиодные излучатели, но в массовом порядке эта технология пока не применяется. В традиционных системах управления газоразрядными лампами важнейшую роль играют балластные сопротивления или балласты. Балласты ограничивают мощность до номинального уровня и широко используются для реализации простейших функций управления.
Рисунок 1.3 – Карта солнечного излучения России
Индукционные балласты (ИБ) формируют бросок тока при подаче питания, необходимый для поджига газоразрядной лампы. На этапе устойчивого свечения индукционный балласт (его еще называют магнитным балластом) ограничивает мощность на лампе за счет реактивного сопротивления индуктивности (сам балласт не нагревается). Недостаток магнитных балластов – сдвиг фаз между током и напряжением исправляют за счет применения конденсаторов и разнообразных схем противофазного включения нескольких ламп, что также снижает стробоскопический эффект[5] от мерцания ламп на промышленной частоте. Стробоскопический эффект показывает, как быстро меняется скорость тела при его неравномерном движении. Различают два типа стробоскопических эффектов. Первый состоит в том, что при наблюдении быстро сменяющих друг друга отдельных фаз движения (каждая из которых фиксируется в состоянии покоя) возникает иллюзия непрерывного движения. Это связано с инерцией зрения, то есть со способностью клеток сетчатки глаза сохранять зрительный образ объекта в течение некоторого промежутка времени (примерно 0,1 секунды) после исчезновения самого зримого объекта. И если время между появлениями отдельных изображений меньше этого промежутка, образы сливаются и движение воспринимается как непрерывное. На этом, в частности, основано восприятие движения в кинематографе и телевидении.
Стробоскопический эффект второго типа заключается в том, что при определенных условиях возникает, наоборот, иллюзия покоя предмета, который на самом деле движется. Представьте себе, например, какое-то вращающееся тело, скажем колесо со спицами, которое освещается импульсной лампой, дающей короткие, повторяющиеся через равные промежутки времени вспышки. Ясно, что наблюдатель будет видеть колесо только в те моменты, когда оно окажется освещенным. Если частота вращения колеса в точности совпадает с частотой повторения вспышек, колесо будет освещено каждый раз в одном и том же положении. При достаточно большой частоте вращения (и вспышек) глаз будет сохранять это зрительное ощущение в течение промежутков времени между вспышками, и колесо будет казаться неподвижным. Приборы, в которых используется этот эффект, называют стробоскопами[6]. В современных стробоскопах прерывистое освещение осуществляется с помощью импульсных ламп с регулируемой частотой вспышек.
Электронные балласты (ЭБ) – это полупроводниковые устройства, обеспечивающие нужную последовательность подачи токов поджига и поддержания напряжения на лампе. ЭБ обычно состоят из инвертора преобразующего токи промышленной частоты в токи частотой примерно 20 кГц. Это дает ряд преимуществ: устраняется стробоскопический эффект и повышается яркость свечения газа за счет постоянной ионизации на повышенной частоте. Яркость свечения резко возрастает (на 9%) на частоте около 10 килогерц (кГц), и далее плавно возрастает при повышении частоты приблизительно до 20 кГц. Работа на высокой частоте позволяет также резко сократить габариты электронных компонентов, повысить их КПД и использовать для ограничения тока через лампу не индуктивность, а конденсатор, тем самым минимизируя потери электрической мощности. Современные ЭБ позволяют плавно регулировать яркость свечения и реализовать различные режимы поджига газоразрядных ламп:
· Мгновенный старт: поджиг ламп без предварительного разогрева катодов импульсом напряжения около 600 В. С энергетической точки зрения это наиболее эффективный способ, но он приводит к мощной эмиссии ионов с поверхности холодного катода, что укорачивает срок службы ламп при частом включении;
· Быстрый старт: одновременная подача энергии поджига и прогрев катодов. При работе в таком режиме тратится некоторое количество энергии на постоянный подогрев катодов;
· Программируемый старт: последовательная подача энергии сначала на подогрев катодов, а затем на поджиг электронной дуги. Этот способ обеспечивает наиболее длительный срок службы газоразрядных ламп, высокую экономичность и максимальное количество циклов включения – выключения.
ЭБ часто оснащают средствами дистанционного управления контроля. В качестве сетевых протоколов обычно используются LonWorks, DMX-512, DALI, DCI. Например, широко распространенный протокол LonWorks, разработанный Echelon Corporation, может использовать в качестве транспортной среды силовой кабель, по которому подается питание на лампу. В этом протоколе определены методы адресации, маршрутизации и управления. Таким образом, ЭБ является своеобразным «выключателем» для ламп уличного освещения, обеспечивая энергосбережение, продление ресурса ламп и дистанционное управление. Для автоматизации включения и выключения ламп уличного освещения чаще всего используют датчики уровня освещенности. Алгоритм работы таких систем предельно прост: при снижении уровня яркости ниже заданного порога лампы включаются, и выключаются при превышении порога срабатывания.