Сетевое издание

Международный студенческий научный вестник

ISSN 2409-529X

Сегодня все большее внимание уделяется альтернативной энергетике в связи с исчерпаемостью традиционных источников энергии (нефть, газ, уголь, торф). Солнечная энергетика – достаточно молодая отрасль, но имеющая ряд существенных преимуществ: возобновляемость, доступность, экологичность, безопасность. Сегодня первое место по использованию солнечной энергии занимает Германия, что говорит о возможности ее использовании на территории России, в частности в Западной Сибири (рис.1) [4]. На рис. 2 представлен прогноз развития солнечной энергетики на период до 2020 года.

Следует отметить, что территория Западной Сибири является слабо населенным регионом России. На территории располагаются следующие административные субъекты: Тюменская область, Ханты-мансийский автономный округ, Ямало-ненецкий автономный округ. Плотность населения данной территории по данным Госкомстата в 2017 составляет 2,5 чел/км2. Многие населенные пункты (сельские поселения), являются изолированными от центральных коммуникаций, в силу географической, климатической и социо-культурной специфики, следовательно содержание их энергохозяйства является дорогостоящим, а в некоторых случаях фиксируется его полное отсутствие [2, 3].

Таким образом, объектом исследования является использование солнечного света для получения электроэнергии, предметом исследования является повышение эффективности работы солнечных панелей в климатических условиях Западной Сибири. Цель исследования – создать полнофункциональный прототип роботизированной установки, обеспечивающий эффективную работу солнечной панели за счет автоматического управления ее положением.

Рис. 1

Рис. 2

Задачи исследования:

• изучить устройство и принцип работы солнечных панелей;

• изучить возможности использования солнечной энергии в условиях Западной Сибири; разработать прототип установки управления положением солнечной батареи;

• разработать управляющую программу.

В ходе исследования мы обосновали возможность использования солнечных батарей в климатических условиях Западной Сибири [5]:

По технической документации температурный диапазон эксплуатации солнечных батарей составляет от -50 до +90оС. Как показывают многолетние метеоданные самая низкая температура за последние 15 лет в нашей местности наблюдалась в 2006 г. – -43о, а самая высокая – +36о (2004 г.).

Как известно, наибольшее количество энергии вырабатывается солнечными панелями в ясные дни. Было выяснено, что неэффективная эксплуатация солнечных батарей составляет в среднем всего 9 дней в году – это 0,02 %.

Поверхность солнечных батареи способна противостоять граду до 25 мм. при скорости 23 м/с. Осадков с такой мощностью в данной местности не зафиксировано.

Таким образом, климатические данные позволяют использовать солнечные батареи в условиях Западной Сибири в соответствии с их эксплуатационными характеристиками.

Для генерации энергии используются два вида устройств на солнечных панелях – солнечные батареи и коллекторы. Солнечная батарея – это электрическое устройство, предназначенное для преобразования солнечной энергии в электрическую, посредством фотоэффекта. Каждая солнечная батарея состоит из солнечных элементов (ячеек). Как известно (1-й закон фотоэффекта Столетова), количество вырабатываемой электроэнергии солнечными панелями напрямую зависит от плотности светового потока. Следовательно, для эффективной работы солнечной батареи она должна располагаться перпендикулярно направлению движения светового потока.

Суть проблемы данного исследования заключается в том, что зимой и летом угол наклона солнечных батарей должен быть различным, так как в зимнее время в регионе солнце над линией горизонта поднимается значительно ниже, чем в летнее (рис.3). Зимой угол подъема составляет 9 – 10о, в то время как летом – 50 – 60о.

Рис. 3

Кроме того, движение солнца летом от точки восхода на горизонте до точки заката (азимут) составляет почти 270о, в то время как зимой – чуть более 100о (рис. 4).[5].

Рис. 4

Следовательно, для эффективной работы в конструкцию солнечной батареи должно быть встроено устройство, позволяющее устанавливать ее перпендикулярно световому потоку. Позиционирование батареи должно определяться не только азимутом солнца на небосводе, но и соответствовать высоте его положения над линией горизонта. Управление поворотным механизмом должно осуществляться автоматически.

Исходя из результатов исследования, нами были сформулированы следующие технические требования к конструкции. Она должна иметь:

• солнечную батарею; солнечный трекер (Solar tracker) – поворотный механизм, предназначенный для отслеживания положения солнца и ориентирования несущей конструкции таким образом, чтобы получить максимальный КПД от солнечных батарей;

• система датчиков, отслеживающая снижение выработки электроэнергии и определяющая наиболее выгодное положение батареи;

• контроллер, который по нескольким датчикам определяет оптимальное положение для солнечной батареи и подает сигнал на солнечный трекер, по наступлению темного времени суток автоматически активирует систему освещения, с наступлением светлого времени суток, освещение автоматически отключается и система переходит в режим генерации и накопления электроэнергии; аккумуляторная батарея;

• при необходимости светодиодный светильник.

Сравнительные затраты на эксплуатацию обслуживание в течение 10 лет

В ходе исследования был сконструирован полнофункциональный прототип солнечного трекера на основе микроконтроллера Atmega ARM 7, 4-х датчиков освещенности, солнечной батареи, мультиметра, и двух сервомоторов. Система автоматического управления была разработана в упрощенной среде потокового программирования LabVIEW [1].

Также был выполнен сравнительный экономический расчет эффективности использования для уличного освещения светильников на основе ламп ДНаТ-250 и автономного освещения с трекером на участке городской улицы в 300 м. (таблица).

В среднесрочной перспективе (10 лет экплуатации) выгода на выбранном участке городской улицы, протяженностью всего 300 метров составляет 212690 руб. С учетом того, что гарантийный срок эксплуатации солнечных батарей для уличного освещения составляет 25 лет, то в долгосрочной перспективе выгода составит 1450290 руб. Как правило, протяженность городских улиц составляет десятки, а то и сотни километров, можно говорить о значительной экономии затрат даже в первый год эксплуатации.