CC BY
41
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.383
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС СЛЕЖЕНИЯ ЗА СОЛНЦЕМ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ РАБОТЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ БАТАРЕЙ
Д. Д. Герра, Э.В. Яковлева, И.Н. Войтюк, А.В. Коптева
В статье представлены результаты анализа потенциала солнечной энергии на территории Республики Куба. В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований, целью которых является повышение эффективности применения фотоэлектрических станций в составе электротехнических комплексов. Описана разработанная двухосевая система слежения за Солнцем. Данная система слежения повышает эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую энергию в фотоэлектрических модулях.
Ключевые слова: системы слежения за солнцем, электротехнический комплекс, фотоэлектрическая батарея, солнечное излучение, энергоэффективность
Сегодня, доля генерации электрической энергии, получаемой от возобновляемых источников энергии, увеличивается с каждым годом [1]. Повсеместно используются электротехнические комплексы с ветрогенера-торными установками [2], солнечными фотоэлектрическими станциями, биотермическими установками и системами приливов и отливов. В данной работе рассматривается способ повышения эффективности улавливания солнечной энергии фотоэлектрической панелью.
Для того чтобы объективно оценить возможность использования солнечной энергии, а также эффективность использования данного источника энергии, необходимо проводить комплексный анализ данных о суммарной солнечной энергии в том или ином регионе [3]. Для этого проводят исследования радиационного режима во времени, для определения выработки тепла либо электроэнергии гелиоустановкой за один месяц, сезон или за один год с дальнейшей оценкой ее технико-экономических показателей. Для анализа инсоляции используют уже имеющиеся данные в режиме реального времени с помощью глобальных спутников систем, климатические атласы, а также полевые замеры солнечной радиации непосредственно на объекте.
Как известно, величина солнечного излучения зависит от широты и меняется от 6 кВт/м2 на экваторе до 1,3 кВт/м2 на полюсе.
556
Величина солнечного излучения, которое приходится на горизонтальную поверхность площадью 1 м2, в некоторых регионах Республики Куба в летние месяцы сопоставима со значениями инсоляции для юга Испании и может составлять 6 кВт^ч/м2.
Наибольший поток солнечного излучения приходится на летние месяцы - более 5 кВт ч/ м2 в день в средней полосе Республике Куба (рис. 1). При этом следует отметить, что интенсивность инсоляции в течение года не опускается ниже 4,8 кВт ч/ м2.
Вышеизложенное свидетельствует о том, что использование солнечной энергии на территории Республики Куба является целесообразным. Так как солнечная энергия является возобновляемым источников энергии, то гелеоустановки с фотоэлектрическими панелями, работающие по принципу преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, позволят снизить затраты на традиционные виды ресурсов.
Рис. 1. Интенсивность инсоляции на территории Куба по месяцам [1]
1. Разработка системы слежения за Солнцем. Плоские фотоэлектрические модули преобразуют как прямое, так и рассеянное солнечное излучение, падающее под любым углом, и генерируют электроэнергию даже в том случае, когда их приемная поверхность не ориентирована прямо на Солнце. Слежение в фотоэлектрических системах с плоскими фотоэлектрическими модулями применяется для увеличения генерации электрической энергии, получаемой от прямой составляющей солнечного излучения [5, 6].
Система слежения за Солнцем (солнечный трекер) - это комплекс устройств и механизмов, обеспечивающий оптимальное положение приемных поверхностей фотоэлектрических панелей относительно Солнца за счет следования за ходом Солнца по небосводу. Тем самым увеличивается количество солнечного излучения, поступающего на приемные поверхности.
Сегодня существуют два основных типа трекеров: одно- и двухосе-вые трекеры. Одноосевые трекеры корректируются каждый месяц или же с учетом сезонных изменений в положении Солнца. Единственная ось одно-осевых трекеров используется для отслеживания ежедневного движения Солнца по небосводу. Двухосевые трекеры устраняют необходимость ежемесячной корректировки: с помощью одной оси идет отслеживание
557
движения Солнца в день, а другая ось для отслеживания сезонного движения. Одноосевой солнечный трекер улучшает прием солнечного излучения примерно на 25%, а двухосевой трекер примерно на 40% [7].
В данной работе была выбрана система слежения за Солнцем типа Л71ши1-ЛШ1;иё, так как она является более эффективной.
2. Экспериментальная установка. Системы слежения за Солнцем, применяемые с плоскими фотоэлектрическими панелями, обязаны гарантировать убавление угла между направлением на Солнце и нормалью к приемной (рабочей) поверхности фотоэлектрического модуля. За счет этого гарантируется наиболее полное использование всей поступающей энергии Солнца и возрастает количество солнечной радиации, поступающей на приемную поверхность фотоэлектрических модулей за тот же промежуток времени [8].
Эта система управления трекером (рис. 2) предназначена для того, чтобы улавливать солнечное излучение в направлении с востока и запада (слева и справа). Система определяет, каким способом переместить панель, чтобы она был направлена непосредственно на источник света. Для приведения в движение панели используется сервопривод, так как данный вид привода доступен в широком диапазоне размеров и их можно масштабировать в соответствии с размерами панели.
Рис. 2. Экспериментальная установка
На фотоэлектрических панелях экспериментальной установки расположены различные датчики - освещенности, температуры, атмосферного давления и относительной влажности, которые в режиме реального времени передают информацию на центральный микроконтроллер о текущем состоянии окружающей среды. Микроконтроллер, согласно разработанному коду программы, обрабатывает полученную информацию.
Кроме этого разработанный программный код, реализованный в микроконтроллер, повторно используется для управления движением серводвигателей, для отслеживания солнечной активности и измерения различных параметров окружающей среды, представляющих интерес для текущих исследований. После того, как программный код вычисляет, какой из датчиков получает больше солнечного света, и если разность больше, чем небольшой порог, то микроконтроллер подает сигнал на сервопривод для изменения положения фотоэлектрической панели для ее позиционирования в направлении источника света. Если значение освещенности стано-
558
вится ниже определенного уровня у обоих датчиков, то такой режим определяется как ночное время и панель перемещается на восток в ожидании восхода солнца.
Принцип работы экспериментальной установки представлен на
рис. 3.
Рис. 3. Блок схема экспериментальной установки
3. Результаты эксперимента. Так как все данные, полученные с датчиков, обрабатываются в микроконтроллере, и полученная информация в дальнейшем поступает на компьютер и обрабатывается в соответствии с математическими моделями в программном продукте Matlab, в исследовании определяется эффективность применения систем слежения за солнцем
[9].
Согласно данным, собранным экспериментальной моделью (Рис.3), разработанной для изучения электрических характеристик солнечных систем слежения (СЕ) и стационарных систем (СС) с фотоэлектрическими модулями в одинаковых климатических условиях было выявлено, что применения систем слежение повышает эффективность использования фотоэлектрических панелей.
Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице.
Результаты измерений солнечного излучения для мая месяца
на территории Республики Куба (СС-солнечное излучение, улавливаемое панелью при использовании двухосной системы слежения, СЕ - солнечное излучение при стационарной
установке панелей)
День СС, кВт ч/ м2 СЕ, кВт ч/ м2 (%) День СС, кВт ч/ м2 СЕ, кВт ч/ м2 (%)
1-Мая 2.002 2.891 30.75 16-Мая 4.525 5.655 19.98
2-Мая 5.792 7.638 24.17 17-Мая 4.657 5.117 8.99
3-Мая 5.885 6.760 12.94 18-Мая 4.657 5.117 8.99
4-Мая 4.653 5.406 13.93 19-Мая 4.254 5.439 21.79
5-Мая 4.722 5.155 8.40 20-Мая 7.096 8.42 15.72
6-Мая 6.326 8.041 21.33 21-Мая 4.657 5.117 8.99
7-Мая 4.657 5.117 8.99 22-Мая 3.525 3.955 10.87
Окончание таблицы
День СС, кВт ч/ м2 СЕ, кВт ч/ м2 (%) День СС, кВт ч/ м2 СЕ, кВт ч/ м2 (%)
8-Мая 5.498 6,169 10.88 23-Мая 4.254 5.439 21.79
9-Мая 7.096 8.420 15.72 24-Мая 6.936 8.29 16.33
10-Мая 6.735 7.675 12.25 25-Мая 5.657 6.117 7.52
11-Мая 4.525 5.655 19.98 26-Мая 7.256 8.547 15.10
12-Мая 6.329 7.809 18.95 27-Мая 5.184 6.536 20.69
13-Мая 6.218 7.559 17.74 28-Мая 6.973 8.936 21.97
14-Мая 5.873 6.301 6.79 29-Мая 4.153 5.534 24.95
15-Мая 5.885 6.768 13.05 30-Мая 3.153 4.534 30.46
Среднее значение CC= 5,30 CT= 6,34 ДЕ=17%
Из результатов эксперимента видно, что в среднем величина улавливаемого солнечного излучения выше на 17% при использовании системы слежения за Солнцем, чем при фиксированном расположении солнечных панелей.
Заключение. Данные исследований по горизонтальной радиации показывают, что солнечная радиация, улавливаемая солнечной панелью, может быть увеличена путем внедрения более передовых технологий, таких как системы отслеживания наиболее яркого объекта, поскольку это увеличит количество вырабатываемой электроэнергии в стране на 10-30%, а также снижает себестоимости производства 1 кВт фотоэлектрической энергии.
Эти результаты подтверждают, что солнечные системы слежения являются альтернативным способом повышения эффективности улавливания и дальнейшего преобразования солнечного излучения на фотоэлектрических электростанциях в Республике Куба.
Список литературы
1. Autonomous power supply system based on a diesel generator and renewable energy sources for remote rural area s/ I.I. Artyukhov, S.F. Stepanov, S.V. Molot, G.N. Tulepova, E.T. Erbaev, K.K. Tulegenov // Proceedings of the 2018 19th International Scientific Conference on Electric Power Engineering. (EPE 2018). 2018. Brno, Czech Republic. P. 448-443.
2. Zhukovskiy Y., Malov D. Concept of smart cyberspace for smart grid implementation // IOP Conf. Series: Journal of Physics. 2018. 1015(4). 042067.
3. Abramovich B., Sychev Y. Problems of energy security support at the enterprises of mineral resources sector // Journal of Mining institute, 2016. 217. P. 132-139.
4. Solar and Wind Energy Resource Assessment (SWERA). Model, National Renewable Energy Laboratory. [Электронный ресурс] URL: https://www.energie.ws/mapa-gis-de-libre-acceso (дата обращения: 20.09.2019).
5. Evstratov A., Zavyalov V., Grigoryev A., Semykina I. A new torque control system of permanent magnet synchronous motor // MATEC Web of Conferences, 2016. 91. 01046.
5. Frolov V., Ivanov D., Murashov I., Sivaev A. Mathematical simulation of processes in discharge chamber of multi-chamber system for lightning protection at overhead power lines // Proceedings of the 2016 IEEE North West Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference, 2016. 7448245. P. 562-565.
6. Huang B.J., Huang Y.C., Chen G.Y., Hsu P.C., Li K. Improving solar PV system efficiency using one-axis 3-position sun tracking // Energy Procedia. PV Asia Pacific Conference 2012, 2012. 33. P. 280-287.
7. Nemkov D.A., Nemikhin D.A., Matveev A.V., Odinaev I.N. Development and creation of a system for tracking the position of the sun // Proceedings of the Conference the Technical sciences in the world: from theory to practice. 2. Rostov on Don. P. 35-38.
8. Semykina I., Zavyalov V. The question of energy-efficient design of the automated electric drive of multi-engine belt conveyors // MATEC Web of Conferences, 2015. 37. 01048.
9. Breido I.V., Semykina I.Yu., Nurmaganbetova G.S. Method of indirect overheating protection for electric drives of mining installations // Bulletin of the Tomsk Polytechnic University Geo Assets Engineering, 2018. 329 (2). P. 65-73.
Герра Даниель Диаз, аспирант, dgd210386@gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет,
Яковлева Эмилия Владимировна, канд. техн. наук, доцент, em88mi@,gmail. com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет,
Войтюк Ирина Николаевна, канд. техн. наук, доцент, voytuk_irina@,mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет,
Коптева Александра Владимировна, канд. техн. наук, доцент, kopteva_av@pers.spmi.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет
ELECTROTECHNICAL SOLAR TRACKING COMPLEX FOR ENSURING EFFECTIVE
WORK OF PHOTOVOLTAIC BATTERIES
D.D. Guerra, E. V. Iakovleva, I.N. Voytyuk, A. V. Kopteva
The article presents the results of the analysis of the solar energy potential in the territory of the Republic of Cuba. Aim of this experimental study is improving the efficiency of photovoltaic power plants as part of electrical systems. The developed two-axis system of tracking the Sun is described. This tracking system increases the efficiency of converting solar energy into electrical energy in photovoltaic modules
Key words solar tracking, electrotechnical complex, pv batteries, solar radiation, energy efficiency.
Guerra Dias Daniel, postgraduate, dgd210386@gmail.com, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
561
Iakovleva Emiliia Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, em88mi@gmail. com, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Voytyuk Irina Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, voy-tuk irinaamail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Kopteva Alexandra Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, kopte va ava pers. spmi. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University
УДК 681.12.18
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА
И.Н. Войтюк, А.В. Коптева, А.В. Кривенко
В статье представлено описание способа бесконтактного контроля массового расхода груза при его транспортировании в условиях горного производства, обеспечивающего энергоэффективность работы электропривода ленточного конвейера. Также приведены результаты моделирования электротехнического комплекса средств измерения и управления ленточным конвейером.
Ключевые слова: ленточный конвейер, массовый расход, гамма-излучение, частотно-регулируемый электропривод, энергоэффективность.
В процессе добычи угля наиболее распространенным, хотя и не воздействующим на материал оборудованием являются транспортеры и конвейеры, связывающие между собой технологические агрегаты в единую технологическую цепь [1]. Так, например, в ОАО «Воркутауголь» в подземных условиях функционирует около 250 ленточных конвейеров общей протяженностью конвейерных линий около 250 км.
Эффективность использования непрерывных средств транспорта, к которым относятся ленточные конвейеры, в первую очередь зависит от надежности функционирования их отдельных узлов и механизмов.
В настоящее время степень загрузки конвейера или количество груза оказывает воздействие на мощность двигателя, расход энергии, прочность тягового органа, нормальное функционирование погрузочных и разгрузочных устройств, добычных и проходческих машин и т.д. Эта проблема встает особенно остро для конвейеров, работающих при случайных входных грузопотоках. Эти факторы оказывают негативное влияние на энергоэффективность электропривода ленточного конвейера, от надежного функционирования которого зависит эффективность всего технологического процесса транспортирования материала [2].
562
