CC BY
124
УДК 001+376:004
DOI : 10.21285/1814-3520-2016-5-129-134
АСПЕКТЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВОК
ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ
ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
А
© В.А. Пионкевич1
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены аспекты практического применения солнечных установок для электроснабжения объектов промышленности и сельского хозяйства. Особое внимание уделено подходу к выбору типа солнечных батарей, их градации по составу элементов, классификации. Изучены основные направления развития солнечной энергетики в России, странах ЕС и в мире в целом. Исследованы способы включения солнечных батарей и устройства для обеспечения их работоспособности. Проанализированы устройства для контроля уровня заряда аккумуляторных батарей. Приведены основные аспекты развития систем электроснабжения с солнечными батареями и перечень задач, требующих их решения.
Ключевые слова: электроснабжение, промышленные потребители, солнечные батареи, накопители электрической энергии, аккумуляторы, инвертор напряжения.
ASPECTS OF PHOTOVOLTAIC ARRAY PRACTICAL APPLICATION FOR POWER SUPPLY OF INDUSTRIAL AND AGRICULTURAL CONSUMERS V.A. Pionkevich
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper deals with the practical aspects of photovoltaic arrays for power supply of industrial and agricultural facilities. Particular attention is given to the selection of the type of solar panels, their grading according to the element composition and classification. The study is given to the main development directions of solar energy in Russia, in the EU and in the world. The methods of inclusion of solar panels and devices ensuring their performance capability are studied. Analysis is given to the devices controlling the charge level of storage batteries. The basic development aspects of power supply systems with solar panels are described as well as the list of tasks to be solved.
Keywords: power supply, industrial consumers, solar cells, electrical energy storage, accumulators, voltage inverter
Введение
Для электроснабжения промышленных и сельскохозяйственных потребителей широко применяются источники нетрадиционной энергетики, используемые потенциал солнца и ветра. Перед внедрением возобновляемых источников требуется провести анализ повторяемости скоростей ветра, солнечной активности. Анализ рынка источников нетрадиционной энергетики показывает, что на территориях регионов Восточной Сибири и Дальнего Востока нецелесообразно применять ветроэнергетические установки при скорости ветра менее 5 м/с. Для подобных территорий целесообразно использовать парк солнечных установок с накопителями энергии - аккумуля-
торами. На сегодняшний день коэффициент полезного действия (КПД) солнечных батарей достигает 20% в зависимости от их типа. Главное достоинство солнечных батарей заключается в их высокой экологич-ности и бесшумности.
В рамках проведения исследований нетрадиционных источников электрической энергии, в частности солнечных батарей, требуется обобщение основных характеристик и практических аспектов их использования: выбор типа солнечных батарей с учетом класса качества, определение места их установки, угла наклона. Также требуется рассмотреть характеристики вспомогательных устройств, таких как аккумуляторные батареи, сетевые инверторы,
1Пионкевич Владимир Андреевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, e-mail: pionkevichva@istu.edu
Pionkevich Vladimir, Candidate of Engineering sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, e-mail: pionkevichva@istu.edu
контроллеры заряда, гелиотрекеры. Характеристики элементов солнечных установок, представленные в рамках данной работы, могут использоваться для разработки математических моделей солнечных установок в системе MATLAB с целью проведения исследований в составе комплекса различных источников нетрадиционной энергетики.
Актуальность вопроса использования солнечных установок
Суммарная мощность фотоэлектрических установок в мире с 2010 по 2013 гг. возросла с 40 до 139 ГВт, по данным [1]. В Германии к 2013 г., по данным [1], суммарная мощность солнечных установок составила 36 ГВт. Лидером в этом секторе энергетики остается Европа - суммарная мощность европейских солнечных установок составляет 70 ГВт. Солнечные батареи производят около 7% необходимой электроэнергии в Италии, около 6% - в Германии [2]. Активным внедрением «зеленых» мощностей занимается ряд стран, в том числе Китай, США, Япония, Индия. Новые развивающиеся рынки солнечной энергетики в ближайшем будущем обгонят Германию. Главной причиной возрастающего интереса бизнеса к сектору солнечной энергетики является падающая себестоимость электроэнергии, генерируемой солнечными установками. По прогнозам специалистов
ассоциации Solar Power Europe Association, объемы вводимых мощностей солнечной энергетики в мире возрастают в 2-2,5 раза через каждые 5 лет [3]. На 2016 г., по данным [4, 5], на территории Германии количество солнечных батарей сопоставимо с числом аналогичных установок, работающих во всех странах мира. Доля солнечной и ветроэнергетики в немецкой энергосистеме составляет на сегодня 23%, а коэффициент полезного действия применяемых солнечных установок составляет 16-22% [5]. Рост объемов производства электроэнергии с помощью солнечных батарей в Германии показывает, что требуется разработка современных высокоэффективных накопителей электрической энергии. Мощность солнечных электростанций в России достигнет 1,5 ГВт к 2020 г., по данным [6].
Технические аспекты использования солнечных установок
Солнечные энергоресурсы России представлены на специальных картах с отмеченными продолжительностями солнечного излучения в часах за год. По таким картам на начальном этапе работы с проектом можно предварительно определиться с количеством солнечных панелей, емкостью аккумуляторов, экономическим обоснованием проекта и сроками его окупаемости [7].
Рис. 1. Карта солнечных энергоресурсов России с продолжительностью солнечного излучения [8] Fig. 1. A map of solar energy resources of Russia with specified solar radiation duration [8]
Данная карта приведена для более подробной характеристики зависимости параметров солнечной установки от величины солнечных часов в году на конкретной местности или в регионе России. В соответствии с картой солнечных ресурсов (рис. 1) солнечные батареи эффективны на территории России от 6 до 8 месяцев в году. На верхней зоне, отмеченной темным цветом, с ноября по январь их эффективность падает в несколько раз. Это можно компенсировать ветроэнергетической установкой или дизельным генератором, энергия от которого также может накапливаться в аккумуляторных батареях. Солнечные батареи должны быть направлены на юг при автономном электроснабжении; оптимальным решением является расположение двух групп солнечных батарей, одна из которых направлена на юго-восток, другая - на юго-запад. В дни равноденствия оптимальный угол установки солнечных панелей равен широте местности. Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты на 23,4°. Поэтому летом солнце выше, чем зимой. Для максимальной энергоэффективности в день летнего солнцестояния панели надо поставить горизонтально на угол 12,7°, а в день зимнего солнцестояния -вертикально на 12,7° соответственно. Солнечные батареи можно установить на солнечный гелиотрекер, который автоматически поворачивает батареи вслед за солнцем. При установке солнечных батарей на крыши и другие конструкции следует позаботиться об их охлаждении, оставив зазор между батареями и опорной конструкцией не менее 10 см.
Солнечная установка строится по принципу «матрешки», то есть элемент начального уровня - это ячейка (cell), затем из ячеек создаются модули (module), из модулей строятся панели (panel), из панелей - массивы (array) в соответствии с рис. 2.
Существует классификация солнечных батарей (панелей). Самый высший класс - это Grade A. Он характеризуется отсутствием сколов, трещин, царапин - все эти факторы негативно сказываются на
эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую, и соответственно снижается надежность эксплуатации всей установки в целом. Батареи высшего класса имеют идеальный внешний вид, однородность кристаллов, два разных элемента невозможно отличить друг от друга. Кроме того, такие элементы имеют самый высокий КПД и долговечность. Класс Grade B называют вторым сортом, то есть данные элементы имеют какие-либо дефекты, по этой причине срок службы у них намного меньше, чем у Grade A. Grade С - это элементы низкого сорта с малым КПД, на элементах данного класса могут присутствовать микротрещины, сколы. Grade D - самый низкий сорт, отбраковка, самый низкий КПД. Это поломанные элементы, иногда из них создают маломощные модули, но в основном эта отбраковка поступает в переработку. В проектах рекомендуется использовать солнечные элементы только класса Grade A. Солнечные батареи могут быть выполнены из монокристаллического и поликристаллического кремния. Монокристаллический кремний из-за высокой чистоты имеет самые высокие показатели коэффициента полезного действия - 18% и долговечности, срок службы до 50 лет, по данным [3].
Рис. 2. Ячейка, модуль, панель и массив
солнечных элементов [9] Fig. 2. A cell, a module, a panel and an array of solar elements [9]
Процесс получения подобного кристалла чрезвычайно сложен и требует повышенного внимания к соблюдению правил технологических процессов роста кристалла. Изготовление поликристаллического кремния намного проще, так как этот материал состоит из случайно собранных разных монокристаллических решеток кремния
131
(срок службы 25 лет, КПД до 15%). По этой причине поликристаллические солнечные батареи стоят дешевле монокристаллических. Солнечные батареи из аморфного кремния дешевле поликристаллических, их КПД составляет 8-10%, срок службы не более 8-10 лет. Солнечные батареи могут быть установлены на скаты крыш домов, и для рационального, эффективного использования площади целесообразно применять модули с меньшей площадью, большими КПД и мощностью на м2. Максимально эффективно использовать площадь крыши или стены объекта возможно только с монокристаллическими солнечными батареями, и при необходимости увеличения мощности установки всегда будет резерв по площади для размещения дополнительных солнечных батарей.
Номинальная мощность и номинальное напряжение батареи отражено в ее названии. Номинальное напряжение солнечных модулей соответствует напряжению блока аккумуляторных батарей, к которым модули, соединенные параллельно или последовательно-параллельно, подключаются через специальный контроллер заряда. Если контроллер заряда основан на технологии MPPT (Maximum Power Point Tracking), то возможно подключение солнечных батарей на большее общее напряжение, чем блок аккумуляторных батарей. Солнечные батареи вырабатывают постоянное напряжение величиной 12 или 24 В, мощность монокристаллической панели площадью 1 м2 составляет в среднем от 60 до 200 Вт. Солнечные батареи используются совместно с накопителями электрической энергии - аккумуляторами. В основном аккумуляторы используются повсеместно, но так как все электрооборудование предназначено для питания от сети переменного тока, то аккумулятор используется совместно с полупроводниковым преобразователем постоянного тока в переменный промышленной частоты 50 Гц. Причем для регулирования тока заряда аккумуляторной батареи существует система автоматического управления, которая основана на технологии MPPT или PWM
(Pulse-Width Modulation).
Отечественным предприятием ООО «МикроАРТ» разработан контроллер заряда ECO Энергия МРРТ Pro, который обладает рядом достоинств по сравнению с импортными аналогами (рис. 3, а). В качестве основных его преимуществ стоит отметить наличие мощных программируемых реле для управления коммунально-бытовыми нагрузками с возможностью их программирования для автоматического запуска резервного генератора. Регуляторы MPPT или регуляторы отслеживания точки максимальной мощности предназначены для получения максимальной возможной мощности на выходе солнечных батарей или ветроэнергетических установок. Для отслеживания точки максимальной мощности используются цифровые устройства, анализирующие вольт-амперную характеристику с целью определения оптимального режима работы солнечных батарей. Цель устройства отслеживания точки максимальной мощности - измерить выходные характеристики фотоэлемента и применить подходящее сопротивление для получения максимальной мощности в любых условиях окружающей среды. Кроме устройств MPPT существуют контроллеры заряда на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или PWM, которые существенно дешевле контроллеров на основе MPPT-метода.
Отличие MPPT контроллера в том, что он содержит трансформатор, с помощью которого более высокое напряжение и номинальный ток от солнечной батареи преобразуется в более низкое напряжение с увеличением силы тока. Многофункциональный автономный преобразователь (МАП) «Энергия» SINE отечественного производства автоматически поддерживает аккумуляторы в заряженном состоянии и переключается на них при перебоях централизованного электроснабжения. Устройство представляет собой многофункциональный преобразователь постоянного напряжения аккумуляторной батареи 12 или 24 В в переменное напряжение 220 В частотой 50 Гц, с функцией заряда аккумуляторов, и предназначено для
питания различных потребителей электроэнергии. Мощность МАП может существенно превышать суммарную мощность установленных солнечных батарей.
Инновационным технологическим институтом TEC (г. Вальдашафф, Германия) проведены исследования эффективности солнечных батарей одинаковой мощности разных заводов-изготовителей из монокристаллического и поликристаллического кремния [10]. Для этого были приобретены 15 солнечных батарей известных производителей и установлены в реальных условиях эксплуатации с целью получения объективных данных по выработке электроэнергии. Эксперимент проводился с 1 мая по 30 июня 2010 г. Солнечные модули вырабатывали электроэнергию в солнечные, пасмурные и облачные дни. Институт TEC обладает собственной метеостанцией, и сведения о метеоусловиях записывались в базу данных вместе с информацией по выработке электроэнергии. Кроме температуры, атмосферного давления, скорости ветра, влажности, осадков фиксировалось глобальное излучение в виде суммы прямой солнечной радиации и отражения от поверхности земли. Данные фиксировались с интервалом в одну минуту и снимались непосредственно с самих панелей. Панели были ориентированы точно на юг на открытой местности, чтобы избежать падающих
теней от деревьев и зданий. Для подключения использовались одинаковые MPPT контроллеры, длина подводящих проводов у всех установок была одинаковой. Лидером по выработке электроэнергии стали монокристаллические панели (рис. 3, б). Модель ANTARIS ASM 185 AL показала выработку 99% от указанной производителем, что составило 251,2 кВтч электроэнергии. Несколько монокристаллических солнечных панелей других производителей показали результат 95% от теоретически ожидаемой выработки, что является лучшим показателем, чем у поликристаллических и аморфно-кремниевых аналогов [10]. За рубежом совместно с солнечными батареями широко используются так называемые сетевые инверторы (СИ), которые зависят от напряжения сети промышленной частоты. Так как в России в ряде регионов наблюдаются постоянные перебои электроснабжения, поэтому при отсутствии питания от энергосистемы такие инверторы не будут функционировать. Сетевые инверторы в России можно будет применять, если потребителю будет предоставлена техническая и законодательная возможность передавать энергию в сеть в определенные периоды времени. В настоящий момент единственная альтернатива - это использование гибридных инверторов.
о—
о— .
I ООО
а б
Рис. 3. Фото контроллера заряда и солнечной установки: а - ECO Энергия МРРТ Pro (заимствовано с сайта http://mppt.pro/galereya); б - монокристаллические солнечные батареи (заимствовано с сайта http://www.invertor.ru/solbat.html) Fig. 3. Photos of a solar charge energy controller and a photo-voltaic array:
а - ECO Energy МРРТ Pro (taken from http://mppt.pro/galereya); б - monocrystalline solar cells (taken from http://www.invertor.ru/solbat.html)
Выводы
В рамках данной статьи получены следующие результаты:
1. Определен перечень оборудования, которое требуется для работы солнечных установок с целью дальнейшей разработки математических моделей данных устройств и проведения их исследования в различных режимах работы.
2. Определены аспекты практического применения солнечных батарей в регионах Восточной Сибири и Дальнего Востока с учетом мест установки, использования гелиотрекеров, позволяющих повысить энергоэффективность солнечной установки в целом.
3. Рассмотрены особенности контроллеров заряда различных конфигураций; по итогам анализа аппаратных средств самым эффективным является контроллер заряда, основанный на методе контроля максимальной мощности МРРТ.
4. Изучены особенности силового инверторного оборудования для подключения солнечной установки к электрической сети переменного тока; по результатам работы с аппаратной частью инверторных устройств отмечены перспективы развития инверторов в области передачи электрической энергии от потребителя в сеть переменного тока.
Статья поступила 20.04.2016 г.
Библиографический список
1. Open EI wiki. PV array definition [Электронный ресурс]. URL: http://en.openei.org/wiki/Defini-tion:PV_array (24.03.2016).
2. Портал EnSaf group. К 2015 году мощность солнечных установок в мире увеличится как минимум в 2 раза [Электронный ресурс]. URL: http://www.ensaf.ru/ensaf/news/646881/ (24.03.2016).
3. Портал Solar Power Europe [Электронный ресурс]. URL: http://www.solarpowereurope.org/home/ (24.03.2016).
4. Портал новостей [Электронный ресурс]. URL: http://www.prnewswire.com (24.03.2016).
5. Портал, посвященный цифровым технологиям [Электронный ресурс]. URL: http://www.3dnews.ru/822845 (24.03.2016).
6. Портал «Альтернативная энергия» [Электронный
ресурс]. URL: http://altenergiya.ru/novosti/moshhnost-solnechnyx-elektrostancij-v-rossii.html (24.03.2016).
7. Портал Европейская Ассоциация возобновляемых источников энергии [Электронный ресурс]. URL: http://www.eurosolarrussia.org (24.03.2016).
8. Сайт компании «МикроАРТ» [Электронный ресурс]. URL: http://www.invertor.ru/solbat.html (24.03.2016).
9. Портал Canada Mortgage and Housing Corporation, статья Photovoltaic System Overview [Электронный ресурс]. URL: http://www.cmhc-schl.gc.ca/en/co/grho/grho_009.cfm (24.03.2016).
10. Инновационный технологический институт TEC (г. Вальдашафф, Германия) [Электронный ресурс]. URL: http://www.tec-institut.com/comparative-test-pv-modules-winner-antaris-solar/ (24.03.2016).
References
1. Open EI wiki. PV array definition Available at: http://en.openei.org/wiki/Definition:PV_array (accessed 24 March 2016).
2. Portal EnSaf group. K 2015 godu moshchnost' solnechnykh ustanovok v mire uvelichitsya kak minimum v 2 raza [EnSaf Group Portal. By 2015, the capacity of solar cells in the world will increase at least 2 times]. Available at: http://www.ensaf.ru/en-saf/news/646881/ (accessed 24 March 2016).
3. Portal Solar Power Europe [SolarPower Europe Portal]. Available at: http://www.solarpowereurope.org/ho-me/ (accessed 24 March 2016).
4. Portal novostei [News Portal]. Available at: http://www.prnewswire.com (accessed 24 March 2016).
5. Portal, posvyashchennyi tsifrovym tekhnologiyam [Digital Technology Portal]. Available at: http://www.3dnews.ru/822845 (accessed 24 March 2016).
6. Portal "Al'ternativnaya energiya" [Alternative Energy Portal]. Available at: http://altenergiya.ru/novosti/mosh-hnost-solnechnyx-elektrostancij-v-rossii.html (accessed
24 March 2016).
7. Portal Evropeiskaya Assotsiatsiya vozobnovlyae-mykh istochnikov energii [The European Association of Renewable Sources of Energy Portal]. Available at: http://www.eurosolarrussia.org (accessed 24 March 2016).
8. Sait kompanii "MikroART" [The site of the company MicroART]. Available at: http://www.invertor.ru/sol-bat.html (accessed 24 March 2016).
9. Portal Canada Mortgage and Housing Corporation, stat'ya Photovoltaic System Overview [Canada Mortgage and Housing Corporation Portal. The article: Photovoltaic System. An Overview]. Available at: http://www.cmhc-schl.gc.ca/en/co/grho/grho_009.cfm (accessed 24 March 2016).
10. Innovatsionnyi tekhnologicheskii institut TEC (g. Val'dashaff, Germaniya) [Innovation and Technology Institute TEC (Waldaschaff, Germany)]. Available at: http://www.tec-institut.com/comparative-test-pv-modu-les-winner-antaris-solar/ (accessed 24 March 2016).
