Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К. Солнечная энергетика

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

________________________________

В.И.ВИССАРИОНОВ, Г.В.ДЕРЮГИНА, В.А.КУЗНЕЦОВА,

Н.К.МАЛИНИН

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Учебное пособие для вузов

Под редакцией В.И.Виссарионова

Допущено Учебно-методическим объединением

вузов России по образованию

в области энергетики и электротехники

в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по напрвлению «Электроэнергетика»

Москва

Издательский дом МЭИ

2008

УДК

Б-

УДК:621.

Подготовлено на кафедре нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Московского

энергетического института (технического университета)

Рецензенты: канд. техн. наук доц. Н.И.Матвиенко

Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К.,CОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА:

Учебное пособие для вузов / Под ред. В.И.Виссарионова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - с.

В пособии впервые в России систематизировано изложены: основные понятия и определения

солнечной энергетики; особенности информационного обеспечения гелиоэнергетических расчетов при

работе солнечных энергетических установок в большой и локальной энергосистемах, а также на

автономного потребителя; методы расчета прихода солнечного излучения на произвольно

ориентированную приемную площадку в космосе и на земле в произвольно заданной точке и на

территории; основные технические схемы и энергетические характеристики современных типов

солнечных энергетических установок, включая и наиболее перспективные сегодня типы – солнечные

коллекторы и солнечные фотоэнергетические установки (СФЭУ); экологические и социально-

экологические характеристики солнечной энергетики; особенности расчетов технических и

экономических ресурсов солнечной энергетики; далее оценка всем категориям ресурсов солнечной

энергетики в мире и в России; представлена техническая база для развития солнечной энергетики в

России.

Для студентов, обучающихся по направлению 140200 "Электроэнергетика", а также для

студентов других направлений вузов, связанных с решением проблем энергоресурсосбережения в целом

и охраны окружающей среды. Полезно для организаций и ведомств, связанных с проектированием,

строительством и эксплуатацией солнечных энергетических установок в России

---------------

Учебное пособие

Виссарионов Владимир Иванович,

Дерюгина Галина Владимировна,

Кузнецова Валентина Андреевна,

Малинин Николай Константинович,

Учебное пособие для вузов

Редактор: В.И.Виссарионов

Редактор издательства

ЛР № 020528 от 05.06.97

Темплан издания МЭИ 2008 (1), учебн. Подписано к печати Формат

Физ. Печ. л. Печать офсетная Тираж 300 экз. Изд № Заказ Цена

___________________________________________________________________________Издательство

Издательство МЭИ, 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14

Отпечатано в типографии ЦНИИ «Электроника», 117415, Москва, просп.Вернадского, д. 39

ISBN  Московский энергетический институт 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

Условные обозначения…………………………………………………..

Введение………………………………………………………………… 9

1 СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ НА ЗЕМЛЕ И В КОСМОСЕ

1.1 Земля и солнце. Источники СИ и его особенности.

Основные понятия и определения……………………………….

1.2 Основные и дополнительные факторы и их влияние на

приход СИ на произвольно-ориентированную приемную

площадку в точке А 9 (ϕ

, ψ

) на Земле и в космосе…………...

1.3 Расчет прихода прямого солнечного излучения на

произвольно наклоненные приемные

площадки………………..................................................................

1.4 Контрольные вопросы по первой главе ………………................

2 ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ И ЕГО

ОСОБЕННОСТИ

2.1 Гелиоэнергетические расчеты. Особенности и состав

требующейся исходной информации……………………………

2.2 Основные источники исходной информации по СИ

в России и ее особенности………………………………………..

2.3 Кадастр солнечной энергии и его особенности…………………

2.4 Контрольные вопросы по второй главе ………………................

111

3 МЕТОДЫ РАСЧЕТА РЕСУРСОВ СОЛНЕЧНОЙ

ЭНЕРГЕТИКИ

3.1

Методы расчета валовых ресурсов в точке А (ϕ°,ψ°) и для

заданной территории S (км

) для горизонтальной приёмной

площадки при наличии полной информации…………………...

112

3.2

Методы расчета валовых ресурсов в точке А (ϕ°,ψ°) и

116

для заданной территории S (км

) для горизонтальной

приемной площадки при ограниченном составе

исходной информации для среднесуточных или

месячных расчетных интервалов………………………………...

3.3

Методы расчета валовых ресурсов в точке А (ϕ°,ψ°) и для

заданной территории S (км

) для наклоненной к югу

приемной площадки для среднесуточных или

среднемесячных расчетных интервалов…………………………

124

3.4 Методика расчета среднечасового прихода солнечного

излучения на произвольно-ориентированную приемную

площадку…………………………………………………………..

135

3.5 Оптимизация ориентации приемной площадки, следящей

за Солнцем по углу ее наклона и азимуту……………………….

147

3.6 Методические подходы к расчету технико-экологических

и эколого-экономических ресурсов в точке А (ϕ°,ψ°)

и для территории S (км

)………………………………………….

150

3.7 Контрольные вопросы по третьей главе ………………...............

155

4 ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СХЕМЫ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ НА

ЗЕМЛЕ И ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

4.1 Классификация СЭУ и их особенности………………………….

156

4.2 Солнечные энергетические установки

коммунально-бытового назначения……………………………...

161

4.3 Башенные СЭС и и их энергетические особенности…………... 185

4.4 Солнечные пруды и их энергетические особенности………….. 190

4.5 Нетрадиционные технологии прямого преобразования

солнечной энергии в электрическую…………………………….

193

4.6 Концентраторы солнечного излучения и их

энергетические особенности……………………………………

199

4.7 Космические солнечные электростанции и их

энергетические особенности …………………………………….

202

4.8 Контрольные вопросы по четвертой главе ……………….......... 208

5 СОЛНЕЧНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

И ИХ ТЕХНИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

5.1 Физические основы солнечной фотоэнергетики……………….. 209

5.2 Энергетические характеристики СФЭУ ………………...............

214

5.3 Контрольные вопросы по пятой главе ………………..................

227

6 СОЦИАЛЬНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

6.1 Социально-экологические характеристики солнечной

энергетики………………................................................................

228

6.2 Экономические показатели солнечной

энергетики………………................................................................

237

6.3 Контрольные вопросы по шестой главе ………………............... 258

Список использованных источников………………………………….. 259

Приложение 1 Расчет ресурсов солнечной энергетики…………........

261

Приложение 2 Обобщенные технико-экономические данные

по солнечным фотоэлектрическим модулям и батареям……………...

311

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Солнечная энергетика













Вт

– интенсивность потока солнечной радиации (СР) или солнечного

излучения (СИ) или мощность СР или СИ на 1 м

приемной площадки

(ПП);

Э,













∆⋅

⋅

tм

чкВт

–поток СР или СИ за интервал времени ∆t или энергия СР или

СИ, приходящаяся на 1 м

приемной площадки (ПП);

, Э

– мощность и энергия СИ, приходящая на горизонтальную к

поверхности земли ПП;

, Э

– мощность и энергия СИ, приходящая на наклоненную ПП (НПП)

под углом β к горизонту;

, R

пр

, R

отр

– суммарная, прямая, диффузная (рассеянная) и отраженная

от поверхности земли мощность СИ;

, Э

пр

, Э

отр

– суммарная, прямая, диффузная (рассеянная) и

отраженная от поверхности земли энергия СИ;

ρ, о.е.; 0 ≤ ρ ≤ 1 – альбедо поверхности или отражательная способность

поверхности или среды на земле;

сс

(∆t) – продолжительность солнечного сияния на земле за заданный

интервал времени ∆t (часы или время от восхода до захода солнца в

течение суток; суммарное время солнечного сияния за интервал времени

∆t);

, Э

– мощность и энергия СИ в космосе за пределами земной атмосферы

(на ее границе);

АМт – оптическая масса атмосферы – m (о.е.);

Т°

сс

факт

сс

Т – теоретическая и фактическая продолжительность солнечного

сияния на земле в заданной точке ее поверхности;

°,ψ

°, (град) – широта и долгота заданной точки А на поверхности земли;

Rm, Эm – мощность и энергия прямого СИ у земной поверхности

на перпендикулярную к лучам поверхность при оптической массе

атмосферы – m;

δ°, (град) – склонение Солнца;

ω°, (град) – часовой угол Солнца;

θ°, (град) – угол падения СИ или Солнца;

°, (град) – зенитный угол СИ или Солнца;

α°, (град) – высота солнца над горизонтом;

а°, (град) – азимут солнца;

γ°, (град) – азимут ПП;

, о.е. – коэффициент прозрачности атмосферы;

СЭ – солнечный элемент;

СМ – солнечный модуль;

СБ – солнечная батарея;

СЭУ – солнечные энергетические установки;

СФЭУ, СФЭС – солнечные фотоэлектрические установки и станции;

СБЭУ, СБЭС – солнечные башенные энергетические установки и станции;

СПР – солнечный пруд;

СК – солнечный коллектор;

СТЭУ, СТЭС – солнечная тепловая энергетическая установка и станция;

КСИ – концентраторы солнечного излучения;

ЭК, ЭТК – энергетические и энерготехнологические комплексы;

ЭУ – энергетическая установка;

ПП – приемная площадка солнечного излучения;

СИ (СР) – солнечное излучение или солнечная радиация;

ТЭС, ГЭС, АЭС – тепловые, гидравлические и атомные электростанции;

ДЭУ, ДЭС – дизельные электроустановки и электростанции;

БЗЭУ – бензиновые энергоустановки;

ГТУ, ПГТУ – газотурбинные и парогазотурбинные энергоустановки;

(кВт, МВт) – нагрузка потребителей большой энергосистемы;

ЛЭС

(кВт, МВт) – нагрузка потребителей локальной энергосистемы;

(кВт) – нагрузка автономного потребителя;

гэс

, N

тэс

, N

аэс

, N

гту

, N

пгту

, N

дэу

, N

дэс

, N

сэу

, N

сэс

(кВт, МВт) – развиваемая

полезная мощность различных видов энергоустановок и электростанций,

отдаваемая на клеммах генератора;

∆N, ∆Э (кВт, МВт и кВт.ч, МВт.ч) – потери мощности и энергии в тех или

иных элементах ЭУ или электростанций или электрических сетях;

η (%, о.е) – К.П.Д. – отдельного элемента ЭУ или электростанции;

F ( м

, км

) - площадь рассматриваемого объекта или земельной

территории;

ВИЭ, НВИЭ – возобновляемые и нетрадиционные возобновляемые

источники энергии.

ВВЕДЕНИЕ

В учебном пособии впервые в России изложены основные

положения по энергетическому использованию солнечного излучения (СИ)

на Земле, включая преобразование СИ в тепловую и электрическую

энергию. В работе не рассматриваются детально на фундаментальном

уровне теоретические положения по теплопереносу (термопередаче) и

фотоэлектрическому эффекту (или генерации), а также оптики.

Предполагается, что основные положения указанных разделов физики

студенты должны изучать в разделе естественно-научных базовых

дисциплин на первых курсах обучения в вузе. В связи с этим основные

теоретические положения указанных разделов физики излагаются в

пособии без детальных последовательных выводов тех или иных

теоретических положений. То же самое касается и основных теоретических

положений, касающихся геометрических расчетов по пространственному

расположению Земли и Солнца, являющихся предметом изучения в

астрофизике и актинометрии.

Все эти положения в пособии принимаются как исходные для

проведения гелиоэнергетических (солнечных) расчетов различного

назначения.

В пособии последовательно излагаются все основные положения,

касающиеся энергетического использования СИ на Земле – от основных

понятий солнечной энергетики до конкретных расчетов параметров и

режимов СЭУ и СЭС (теплового и электрического назначения). В том

числе основные понятия и определения солнечной энергетики;

особенности информационного обеспечения гелиоэнергетических расчетов

при работе солнечных энергетических установок в большой и локальной

энергосистемах, а также на автономного потребителя; методы расчета

прихода солнечного излучения на произвольно ориентированную

приемную площадку в космосе и на земле в произвольно заданной точке и

на территории; основные технические схемы и энергетические

характеристики современных типов солнечных энергетических установок,

включая и наиболее перспективные сегодня типы – солнечные коллекторы

и солнечные фотоэнергетические установки (СФЭУ); экологические и

социально-экологические характеристики солнечной энергетики;

особенности расчетов технических и экономических ресурсов солнечной

энергетики; далее оценка всем категориям ресурсов солнечной энергетики

в мире и в России; представлена техническая база для развития солнечной

энергетики в России.

Рассчитываются три основных направления энергетического

использования СИ на Земле с учетом того, что гарантированная мощность

любой СЭУ или СЭС (взятой в отдельности) равна нулю с учетом

особенностей временной цикличности прихода СИ на Землю (день-ночь):

1. Работа СЭУ или СЭС в большой энергосистеме (системные СЭУ

или СЭС), совместно с ТЭС, АЭС, ГЭС и другими традиционными видами

электростанций. Для этого случая доля всех СЭУ или СЭС очень мала по

сравнению с общей установленной мощностью всех традиционных

электростанций. В этом случае СЭУ и СЭС участвуют лишь в экономии

дорогого ископаемого невозобновляемого топлива и участвуют тем самым

в балансе энергии энергии большой энергосистемы за расчетные

интервалы времени не менее суток-декады-месяца в целом. Максимум

нагрузки подобных энергосистем может достигать тысяч и даже десятков

тысяч МВт.

2. Работа или СЭС в локальной энергосистеме (ЛЭЭС) совместно с

другими традиционными энергоустановками (как правило ДЭУ или ДЭС)

по балансу электроэнергии. В этом случае доля СЭУ или СЭС по

мощности может достигать десятков процентов от общего установленного

максимума ЛЭЭ. В этом случае СЭУ или СЭС участвуют в балансе

мощностей или энергии ЛЭЭС в качестве дублирующей мощности.

Расчетные интервалы времени – часовые или суточные. В этом случае СЭУ