CC BY
50
УДК 620.92
Махотшо Костянтин Володимирович, канд. техн. наук., старш. наук. ствроб., професор
Нацюнальний технiчний унiверситет «Харшвський полiтехнiчний шститут», м. Харкав, Украша, вул. Фрунзе, 21, м. Хартв, Украина, 61002, тел. +38 (057) 707-65-45, email: mahotilo@yandex.ua, (ORCID iD: 0000-0001-7081-071X) Косатий Дмитро Михайлович, директор
ТОВ «БУРЕНЕРГО», м. Харшв, Украша, пер. Комсомольский, 6, сел. Солонщевка, Харювськая обл., Украина, 62304, тел: +38 (0576) 37-34-69
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ОЦ1НКА ВПЛИВУ ХМАРНОСТ1 НА КОЛИВАННЯ ПОТУЖНОСТ1 ФОТОЕЛЕКТРИЧНО1 СИСТЕМИ
Проаналгзовано архiвнi данi про роботу до^дно'И фотоелектричноИ системи в м. Харюв та до^джено вплив хмарностi на продуктивтсть фотоелектричноИ системи. Отримано оцiнки впливу хмарностi на добове вироблення електроенергп та на коливання потужностi фотоелектричноИ системи. Ключовi слова: фотоелектрична система, хмарнiсть, коливання потужностi
Махотило Константин Владимирович, канд. техн. наук., ст. науч. сотр., профессор
Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», г. Харьков, Украина, ул.
Фрунзе, 21, г. Харьков, Украина, 61002, тел. +38 (057) 707-65-45, email: mahotilo@yandex.ua, (ORCID iD: 0000-0001-7081-071X)
Косатый Дмитрий Михайлович, директор
ТОВ «БУРЕНЕРГО», м. Харьков, Украина, пер. Комсомольский, 6, пос. Солоницевка, Харьковская обл., Украина, 62304, тел: +38 (0576) 37-34-69
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОБЛАЧНОСТИ НА КОЛЕБАНИЯ МОЩНОСТИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Проанализированы архивные данные о работе исследовательской фотоэлектрической системы в г. Харьков и исследовано влияние облачности на производительность фотоэлектрической системы. Получены оценки влияния облачности на суточную выработку электроэнергии и на колебания мощности фотоэлектрической системы.
Ключевые слова: фотоэлектрическая система, облачность, колебания мощности
Makhotilo Konstantin, PhD, SRF, Prof.
National Technical University «Kharkiv Polytechnic University», Kharkiv, Ukraine, Frunze St.., 21, Kharkiv, Ukraine, 61002, tel. +38 (057) 707-65-45, email: mahotilo@yandex.ua, (ORCID iD: 0000-0001-7081-071X) Kosatiy Dmytro, director
BURENERGO Ltd., Kharkiv, Ukraine, Komsomol allay, 6, Solonitsevka village, Kharkiv region, Ukraine, 62304, tel: +38 (0576) 37-34-69
EXPERIMENTAL EVALUATION OF THE IMPACT OF CLOUDINESS ON PHOTOVOLTAIC SYSTEM POWER FLUCTUATIONS
Historical data on research photovoltaic system operation in Kharkiv are analyzed and the impact of cloudiness on the photovoltaic system performance is researched. The estimates of the impact of clouds on the daily power generation and power fluctuations ofphotovoltaic system are obtained. Keywords: photovoltaic system, cloudiness, power fluctuations
Вступ
Зараз в усьому свт в1троелектрогенератори та фотоелектричш системи (ФЕС) е найбшьш швидко зростаючими за кшьюстю та загальною потужшстю джерелами вщновлювано'1 енергл. Соб1варт1сть виробництва енергл на них вже сягнула р1вня, нижчого шж на теплових електростанщях [1]. Проте чи не найголовшшим ix недолшом лишаеться нестабшьшсть генерацп тд впливом сезонних та метеоролопчш фактор1в. Останш е джерелами коливань потужносп тривалютю вщ кшькох д1б до кшькох хвилин, що негативно впливають на роботу енергосистем. Для ФЕС головним чинником швидких коливань потужносп, що розвиваються с темпом в 5-10 хвилин та менше, е хмарнють.
В деяких кранах €С частка електроенергп, що виробляеться на ФСС, зараз сягае 5-10 %
вщ загального обсягу електроспоживання, i част коливання потужност ФЕС в хмарш днi компенсуються маневреним станцiями - ТЕС з ГТУ, ГЕС або ГАЕС. Але юнуючих ix потужностей вже замало (особливо враховуючи, що iнше потужне джерело вщновлювано'' енергп - ВЕС, також не вiдрiзняeться стабiльнiстю генераци). Для планування будiвництва маневрених станцш, зокрема найбiльш перспективних з них - ГАЕС, потрiбнi масштабнi оцшки коливальностi потужностi ФЕС в реальних умовах експлуатацп.
Цi оцiнки потрiбнi i при проектуваннi ФЕС, зокрема при виборi iнверторiв. Зазвичай при цьому використовують середнi за мюяць або добу величини iнтенсивностi сонячного випромшювання. Але такi данi не дають шформацп про частоту та величину вщхилень вiд середнix значень. Це призводить до недооцшки максимально'!' потужносп фотоелектричних панелей i, як наслщок, захисних вiдключень iншиx компоненпв ФЕС. В масштабах енергосистеми це може призводити до втрати до 3 % вщ потенщалу вироблення енергп на ФЕС [2].
Даш, яю збираються iснуючими метеостанцiями недостатш для дослiджень впливу метеоумов на продуктивнють ФЕС, тому в кранах, що активно розвивають вiдновлювану енергетику, формуються новi (зазвичай супутниковi) системи метеоролопчних спостережень з високою частотою вимiрювання i високою щiльнiстю покриття територп. Одночасно дослiдження впливу змшних метеоумов проводяться на базi самих ФЕС i даних систем мошторингу ix роботи [2].
В данш роботi представленi результати таких дослщжень впливу xмарностi на роботу експериментально'! ФЕС в умовах м. Харкова. Метою роботи е оцiнка ампштуди коливань потужностi ФЕС в залежносп вiд рiвня xмарностi.
1. До^дна ФЕС
Дослщження впливу метеоумов на продуктившсть ФЕС проводились на базi достдно'' системи, створено!' на кафедрi електричних станцiй НТУ «ХП1» за допомогою ТОВ «Буренерго» (м. Харюв) [3]. Це автономна стежачи система, до складу яко!' входять:
- фотоелектрична панель JTM 190/195-72M (монокристалiчний кремнiй, максимальна напруга 37,96 В, максимальний струм 5,27 А);
- система стеження за сонцем SunTracer SM3SPMOG+ (однокоординатна з годинниковим принципом стеження);
- контролер заряду EPsolar LS1024R (номшальна напруга 12/24 В, розрахунковий зарядний струм 10 А);
- акумуляторна батарея LogicPower LP - MG (номшальна напруга 12 В, максимальний струм заряду 4 А);
- осв^лювальне навантаження (св^лодюдна с^чка, загальна потужнiсть 20 Вт);
- вимiрювальний блок (максимальна частота вимiрювання напруги та струму 5 с).
Розрахунки показниюв виконувались на основi бази даних параметрiв роботи достдно''
ФЕС за кожнi 5 с, а також метеоданих з метеостанцп Харкiв-Аеропорт [4] за кожнi 3 год. Для аналiзу використанi близько 2 млн. запиав даних, що вщносяться до осенi, зими та весни 2013-2014 рр. Ц сезони були обраш для дослiдження як найбшьш складнi для роботи ФЕС.
2. Вироблення енергп ФЕС в залежностi eid хмарностг
Хмаршсть впливае на кшьюсть сонячно'' енергп, що сягае панелей ФЕС, i вщповщно, на потужнiсть та обсяг вироблення електрично'' енергп ФЕС. Залежнiсть добового вироблення енергп ФЕС W вщ середньо'' xмарностi наведена на рис. 1. Даш роздшеш в залежносп вщ тривалостi свiтлого часу дня (СЧД).
Як i очiкуеться, головний вплив на продуктивнiсть ФЕС мае тривалють СЧД, що пов'язана з кутом пщняття Сонця над горизонтом та обсягом сонячного випромшювання. Проте вплив хмарносп також е значним. Це пов'язано з особливютю монокристалiчниx фотоелектричних елеменпв, спектральна чутливiсть яких найбшьша в дiапазонi iнфрачервоного випромшювання. Враховуючи, що саме ця складова сонячного випромшювання найбшьше фiльтруеться хмарами, при 100 % хмарносп обсяги добового вироблення енергп ФЕС майже однаково малi незалежно вщ тривалосп СЧД. Проте якщо
хмарнють не е суцшьною, вирiшальнии вплив мае штенсивнють сонячного випромiнювання. Так, згiдно дослщженням в травнi (СЧД ^14 год.) навпъ при 90 % хмарносп вироблення енерги ФЕС бiльше шж в сiчнi (СЧД «8 год.) при 10-20 % хмарносп.
ч. о
U
^ 0,3
m
и
0,2
0,1
20 40 60 80
Середньодобова хмарнiсть, %
100
Тривалють СЧД, год.: а - 8-10; ♦ -10-12; ■ - 12-14
Рис. 1. Добове вироблення енерги дослiдноi ФЕС при рiзнiИ тривалостi СЧД
та хмарносп
3. Коливання потужност^ ФЕС в залежностi eid хмарност^
Теоретично, на широп м. Харюв в ясш днi графiк iнтенсивностi сонячного випромшювання, що падае на панель ФЕС з системою стеження, в залежносп вщ часу доби мае вигляд як на рис. 2. Вщповщним мае бути i графiк потужносп ФЕС, але в реальностi вш мае не такиИ гладкиИ характер, а виразно коливальний. Це пов'язано з нестабшьнютю повпряних мас атмосфери, забрудненютю повiтря i головне з рухом хмар.
1200 т
н
m
21 липня
1000--
X <и К
о а
с —
и л h О
'S ffl s
0 К <u h
1
800 --
600 --
400 --
200--
~l I I I I I Г 0:00
~l I I I I I Г 6:00
12:00
1 I I I I I П I I I I I I I I 18:00 0:00
Час доби
Рис. 2. 1нтенсивнють сонячного випромшювання для ФЕС з системою стеження на 50° пн. ш.
Приклади реальних добових графив потужносп дослщно! ФЕС Р при рiзнiй середнш за СЧД хмарносп приведено на рис. 3. Як видно, вони сильно коливальш як при низькому, так i при високому рiвнi хмарносп. Тут 0 % середньо'1 хмарносп означав, що продовж СЧД небо
0
0
0
було ясним, а 100 % середньо!' хмарносп - що продовж СЧД небо було щшьно закрито хмарами. Темний час доби при ощнюванш середньо'1 хмарносп не враховувався.
Проте графiки мютять особливостi, пов'язанi з характером навантаження дослщно' ФЕС. На рис. 3,а можна побачити, що при низькш хмарностi пiсля 10:00 характер коливань потужносп ФЕС рiзко змiнюeться: з'являються провали потужностi до нуля, стрибки стають частiшими. Це пов'язано з тим, що основним навантаженням досшдно!' ФЕС е акумуляторна батарея (АКБ), яка накопичуе енергш для роботи свплодюдно!' стрiчки вночi.
н
т
50
40
30
20
10
0
н
т
50
40
30
20
10
0
0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00
Час доби Час доби
а) б)
Рис. 3. Потужнють дослщно'' ФЕС при середнш хмарностi 25 % (а) та 70 % (б)
Контролер заряду АКБ побудовано за принципом широтно^мпульсно!' модуляцп. Коли акумулятори розряджеш, контролер заряду використовуе всю потужнють фотоелектрично!' панелi для 1'х заряду. Але коли по мiрi заряду напруга на АКБ сягае певного рiвня, контролер заряду переходить у iмпульсний режим роботи, перюдично вщмикаючи панель вiд акумуляторiв. Чим повшший заряд АКБ, тим коротшi стають перюди пiдключення до панелi. Це створюе коливання потужностi ФЕС, яю не слiд приймати до уваги в даному дослщжеш впливу зовшшшх чинникiв. В хмарнi днi, коли потужносп ФЕС ледь вистачае для заряджання акумуляторiв (див рис. 3 б) контролер заряду не обмежуе потужнють ФЕС i не впливае на форму графша навантаження.
Тому, щоб дослщити вплив хмарностi на коливання моментально'! потужносп ФЕС, в робоп проаналiзованi данi лише про перюди, коли заряд акумуляторiв вщбуваеться безперервно, тобто при роботi ФЕС з постшним навантаженням. Для отримання бшьш повних та точних ощнок в подальшому плануеться замiнити змшне навантаження у виглядi контролера заряду i АКБ на постiйне резистивне навантаження, здатне спожити всю енергш, яку виробляе ФЕС.
Для ощнки коливань потужносп ФЕС в робоп запропоновано використовувати такий показник як приведене до середньо'1 потужносп стандартне вщхилення рiзницi мiж моментальною потужнютю ФЕС та й ковзним середшм:
100%;
(1)
АР = Р - Р
КС :
де о* - приведене стандартне вiдхилення, %; оАР - стандартне вщхилення АР ;
РСБЗ - середне значення потужносп за перюд безперервного заряду АКБ.
АР - рiзниця мiж моментальною потужнютю ФЕС та ковзним середшм;
Р - моментальна потужнють ФЕС;
РКС - ковзне середне значення потужностi ФЕС.
Чим вище значення а*, тим бшьший розмах швидких коливань потужносп ФЕС вiдносно середнього значення. При а* = 0 графж потужностi е монотонним та лшшним на iнтервалi усереднення. Експериментальним шляхом для розрахунку РКС було пiдiбрано
iнтервал усереднення в 20 хв., вiдцентрований вщносно поточного часу, тобто ±10 хв. вщ моменту вимiрювання потужностi Р. Враховуючи частоту вимiрювання показниюв ФЕС, усереднення здiйснювалось по 240 значенням потужносп.
На рис. 4 представлен розрахованi по експериментальним даним роботи ФЕС за весь
*
перюд дослщжень величини приведеного стандартного вщхилення а в залежностi вщ
середньо! хмарностi за СЧД, а також ощнки верхньо! та нижньо! меж дiапазону значень. Як
*
видно, коливання потужносп присутнi навiть при мшшальнш хмарностi, значення а при цьому лежать в дiапазонi 0-5 %. 1з ростом хмарностi збшьшуються i коливання потужностi. Максимальнi коливання спостер^аються при середнiй хмарностi 70-80 %, значення а* при цьому лежать в дiапазонi 10-60 %. Дал^ з ростом хмарносп, як i слiд очiкувати, коливання йдуть на спад одночасно зi зменшенням добового вироблення енерги. При хмарносп 100 % значення а* лежать в дiапазонi 0-40 %.
=х 60
* D
50
40
30
20
10
• •
d
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
N, %
Рис. 4. Залежнють коливань потужносп ФЕС вщ середньо'1 хмарносп
Такии широкий дiапазон можливих значень а пояснюеться тим, що традицiйний метеорологiчний показник «хмарнють» не враховуе щшьшсть хмар та 1'х тип (перiстi, шаруватi i т.д). Наприклад, при 100 % хмарносп можлива ситуащя, коли хмари не щшьш i пропускають якусь частку прямого свила, а також ситуащя, коли хмари суцшьш i пропускають лише розаяне свiтло. Враховуючи, що монокристашчш кремнiевi фотоелементи ефективнi лише при прямому свгтш, потужнiсть ФЕС в цих ситуащях буде суттево вiдрiзнятись.
За результатами аналiзу можна зробити висновки, що при любш тривалосп СЧД наИбiльшi коливання потужносп вiдбуваються при хмарностi 70-80 %, а найменшi - при хмарносп 0-15 %. Щоб оцiнити наскшьки частими е такi рiвнi хмарносп, були проаналiзованi метеоданi по м. Харкову за останш 3 роки.
На рис. 5 приведено вщносну частку v днiв з низькою та високою хмарнiстю для рiзних сезонiв року:
(C )■
100%
(3)
0
Де пхм - кшькють днiв з певною хмарнiстю в сезонi;
псез - тривалють сезону;
С - середня хмарнють за СЧД, %.
Як видно, в м. Харковi частка дшв з найменшим i найбiльшим коливанням потужносп ФЕС в рiзнi сезони не перевищуе 8-13 %, тобто вони не е домiнуючими. Проте вона достатня, щоб створювати перешкоди сталiй роботi енергосистеми.
Частка дшв з хмарнютю 70-80 % за рш складае близько 10 %, i найбiльша 1х кiлькiсть припадае на лгго та осiнь. Влггку, при високiй iнтенсивностi сонячного випромшювання, амплiтуда коливань потужностi ФЕС через хмарнють буде найбшьшою. В iншi сезони року, зi зниженням штенсивносп випромiнювання, буде знижуватись добове вироблення енергй i амплiтуда коливань потужностi, але нестабiльнiсть роботи ФЕС все ж буде ввдчутно впливати на енергосистему.
, 14
>
12 10 8 6 4 2 0
Зима Весна Лгш Осшь
Хмарнiсгь: □ 0-15% ■ 70-80%
Рис. 5. Частка дшв сезону з рiзною середньою хмарнiстю
Частка днiв з низькою хмарнiстю складае близько 4 % на рж, найбiльша 1х кшькють припадае на весну та зиму. I хоча згщно рис. 4 ввдносна амплпуда коливань потужностi в таю дш невисока, тим не менш навеснi вона може бути значною в абсолютному виразi. Це пояснюеться тим, що навеснi рiвень iнтенсивностi сонячного випромiнювання хоча i менший нiж влiтку, але вже достатньо високий. В той же час температура повпря ^ ввдповвдно, температура фотоелектричних панелей набагато меншi нiж влiтку. Завдяки цьому навесш в яснi днi ККД ФЕС вищий, i й потужнiсть може бути такою саме, або навпъ бшьшою нiж влiтку.
Висновки
Аналiз даних про роботу дослвдно'1 ФЕС в м. Харюв показав, що найбiльшi коливання 11 потужностi у будь-яку пору року спостер^аються при хмарносп 70-80 %. Отриманi оцшки коливань потужностi ФЕС при рiзнiй хмарностi можуть бути використанi при проектуванш ФЕС та 1х шдключенш до енергосистеми. Але через те, що на ефективнють ФЕС впливають особливостi мiсцевого рельефу та ^мату, такi дослiдження мають проводитись для кожного конкретного регюну розмiщення. Для бшьш точного оцiнювання впливу хмарносп, яке могло би бути покладено в основу планування роботи енергосистеми, необхщно провадити спецiалiзованi, бiльш детальш метеорологiчнi спостереження i прогнози метеоумов.
Дослщження впливу метеоумов на потужнють ФЕС е важливою складовою пошуку шляхiв ефективного використання сонячно1 енергй в дiючих енергосистемах та створення нових енергосистем, орiентованих на вщновлюваш джерела. Ця задача сто1ть i перед енергетикою Укра1ни, яка вже почала с^мко нарощувати частку вщновлюваних джерел енергй, маючи мiнiмальний запас маневрених потужностей.
Список використаноТ л^ератури:
1. Lazard's Levelized Cost of Energy Analysis. September 2014 [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.lazard.com/PDF/Levelized Cost of Energy --Version 8.0.pdf
2. Косатый Д. М., Кудрявцев И. Н., Махотило К. В. Фотоэлектрические системы. Учебное пособие. Х.: НТМТ, - 2014. - 399 с.
3. Лабораторп. Кафедра електричних станцш НТУ «ХП1» [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.kpi.kharkiv.edu/es/index.php/LaboratorU.
4. Харьков (аэропорт) - Rp5.ua [Электронный ресурс]. - Режим доступа : rp5.ru/Погода_в_Харькове_ (аэропорт).
References:
1. Lazard's Levelized Cost of Energy Analysis. September 2014, available at: http://www.lazard.com/PDF/ Levelized Cost of Energy - Version 8.0.pdf
2. Kosatiy D. M., Kudriavtsev I. N., Makhotilo K. V. (2014) Photovoltaic systems. Tutorial [Fotoelektricheskie sistemy. Uchebnoe posobie], NTMT, Kharkiv, 399 p.
3. Laboratory. Department of Electrical stations NTU "KhPI" [Laboratorii. Kafedra elektrychnykh stantsii NTU "KhPI"], available at: http://www.kpi.kharkiv.edu/es/index.php/LaboratorU.
4. Kharkiv (Airport) - Rp5.ua [Kharkov (aeroport) - Rp5.ua], available at: rp5.ru/Погода_в_Харькове_ (аэропорт).
Поступила в редакцию 25.10 2014 г.
