CC BY
34
УДК 621.383; 621.472(575.4)
DOI: 10.18413/2409-1634-2016-2-4-46-52
Пенджиев А. М. Астанов Н. Г.
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ МОБИЛЬНОИ СОЛНЕЧНОЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОРИЕНТАЦИИ НА СОЛНЦЕ_
Туркменский государственный архитектурно-строительный институт, 4/1 Гунеш, м. Бекрова, Ашхабат-32, 744032,
Туркменистан, ampenjiev@rambler. ru
Аннотация
В статье приводятся результаты расчетов математической модели (теоретические) и экспериментальных исследований вольт-амперной и ватт-амперной характеристики режимов работы солнечной мобильной фотоэлектрической станции в зависимости от внутренних и внешних факторов, степени ориентации на Солнце в аридной среде Туркменистана. Ключевые слова: солнечная мобильная станция, фотоэлектрический преобразователь, математическая модель, системы слежения за Солнцем, вольт и ваттные амперные характеристики, Туркменистан.
Akhmet M. Penjiyev POWER EFFICIENCY OF THE MOBILE SOLAR PHOTO-ELECTRIC Nepes G. Astanov_ STATION DEPENDING ON ORIENTATION TO THE SUN_
Turkmen State Institute of Architecture and Construction (Ashgabat, Turkmenistan), [email protected]
Abstract
The article provides the results of calculations of the mathematical model (theoretical) and experimental researches of the volt-ampere and watt-ampere characteristics of operating modes of the solar mobile photo-electric station depending on internal and external factors, degrees of orientation to the Sun in the arid environment of Turkmenistan.
Keywords: solar mobile station; the photo-electric converter; mathematical model; systems of tracking the Sun; volt and watt ampere characteristics; Turkmenistan
Введение
В своем обращении Президент Туркменистана Гурбангулы Бердвмухамедов к участникам Международной научной
конференции «Инновационные технологии в использовании возобновляемых источников энергии» в декабре 2014 года сказал: «Туркменистан - государство, обладающее огромными запасами наземных и подземных богатств, углеводородных и горно-минеральных ресурсов, богатое на солнечную энергию и пустынный песок, имеющий в своем составе кремний. Наша главная задача - рациональное использование этих богатств, сохранение их для будущих поколений, производство из песка Каракумов и экспорт на мировые рынки кремния, являющегося базовым химическим элементом для создания оборудования, позволяющего получать экологически чистую электроэнергию» [1].
Для повышения энергетической
эффективности и обеспечения наибольшего прихода солнечной радиации на рабочую поверхность существуют рекомендации по ориентации наземных стационарных солнечных установок ^У) в зависимости от широты местности и времени года.
Целью данной статьи является показать экономическую эффективность использования СУ возможности повышения и применения систем слежения за Солнцем, которые позволят увеличить выходную мощность ФЭП и дневной интервал генерирования электрической энергии. С применение системы слежения за Солнцем с частичной (азимутальной) или полной (азимутальной и зенитальной) ориентацией [10-12].
Научная новизна заключается в том, что авторы приводят свои обоснованные результаты экспериментальных исследований и
теоретических расчетов в области экономий энергетической эффективности энергоресурсов с использованием солнечной энергий в зависимости от ориентации солнечных энергетических установок и станции.
Исследования математической модели
Наиболее эффективным методом
исследования СУ является имитационное моделирование, позволяющее по сравнению с натурными экспериментами учесть влияние на энергетические характеристики СУ большого числа параметров и сократить затраты времени и средств на проведение необходимых расчетов и исследований.
В основу математического моделирования была заложена классическая модель
фотопреобразователя с p-n переходом [11]:
где U - напряжение, В; k - постоянная Больцмана; T - рабочая температура ФЭП, К; q - заряд электрона; J,|, - фототок, пропорциональный интенсивности солнечного излучения I, падающего на поверхность ФЭП , ЦфЛ = const) А/см2; J-ток, А/см2; Jo - обратный ток насыщения, определяемый свойствами исходного полупроводника, определялся из выражения (1) при условии J=0 и U=Uxx , А/см2Д - внутреннее электрическое сопротивление, Ом/см2; A -безразмерный параметр кривизны вольт-амперной характеристики (ВАХ), A = 1.. ..2.
Для исследования режимов работы СУ с ФЭП была разработана математическая модель, реализованная в программной среде. В целях ее апробации построены ВАХ и вольт-ваттная характеристика (ВВХ), для модуля ФЭП состоящего из параллельно соединенных блоков при стандартных условиях освещения АМ110=1000 Вт/м2и рабочей температуре. Фотоэлементы из монокристаллического кремния имеют следующие характеристики:
Joкз =2,74 А/м2; Цхх = 22В; R = 1 Омсм2; площадь S=0,3792 м2. Фотоэлектрический модуль, по паспортным данным, выдает максимальную мощность Р тах=49,4 Вт, =20.6 В, 1кз =2,4А, оптимальное рабочее напряжение иопт=16,3Ви ток 1опт =2,75 А мощность Ропт = 44,8 Вт.
Как видно из рис. 1 (а), полученные теоретические расчеты вольт-амперных
характеристик (ВАХ) математической модели совпадают с паспортными данными, что подтверждает адекватность разработанной модели.
Однако реальные характеристики ФЭП значительно отличаются от стандартных, вследствие изменения параметров внешней среды (интенсивности солнечного излучения и температуры воздуха), которые зависят от географического положения предполагаемой эксплуатации установки, времени года, суток и степени ориентации СУ на Солнце. Влияние изменения интенсивности солнечного излучения и рабочей температуры на ВАХ ФЭП, можно записать в виде выражений [5-9,11]:
Uxx = Uoж + AU„ +AU„ + A U
л
12
Т '
(2) (3)
где /окзи Похх - исходный ток короткого замыкания и напряжение холостого хода, измеренные при стандартных условиях освещения АМ1(/о=1000 Вт/м2) и рабочей температуре (Т = 25°С 0 ); Д/, ДПп, ДП12 - поправки, учитывающие изменение плотности потока солнечного излучения; Д/ Т, ДП Т - поправки, учитывающие изменение рабочей температуры:
где Rп - последовательное сопротивление элемента; к- коэффициент, зависящий от типа солнечного элемента, 0.5< к >1.5[2]; , рь р„ - температурные коэффициенты тока и напряжения, 1/°С.
При определении интенсивности солнечной радиации (прямой, рассеянной и суммарной) на горизонтальную поверхность при
математическом моделировании использовались данные многолетних наблюдений [13]. Для исключения интервалов, интенсивности в
которых не известны, использовался метод полиноминальной аппроксимации [2-7, 11, 12].
Суммарная интенсивность солнечного излучения на стационарную наклонную
поверхность, ориентированную на юг была рассчитана по выражению [10-12]:
где I п, /д, - интенсивностью прямого и рассеянного (диффузного) солнечного излучения на горизонтальную поверхность, Вт/м2; 0 - угол между направлениями на Солнце и зенит в град., определяется по формуле (10); \ - угол между направлением на Солнце и нормалью к наклонной поверхности, ориентированной на юг в град. определяется по формуле (11); Р - угол наклона рассматриваемой поверхности к горизонту в град.; р - коэффициент отражения (альбедо) поверхности Земли и окружающих тел [11].
cos0 = sin5 sinф + cos5 cosф СОБЮ. (10) собЕ, = БШ(Ф -р ) + СОБ(Ф -р ) СОБ5 СОБЮ, (11) где 5 - склонение Солнца, определяется по формуле Купера в град [1], ф - широта местности, в град.; ю - часовой угол движения Солнца, в град.
Часовой угол рассчитывался по формуле [5]:
ш = {\5°час-%о1аг-\2),
где t solar- локальное солнечное время в часах.
Расчет суммарной интенсивности солнечного излучения на приемник, расположенный под углом р и ориентирующийся на Солнце только по одной координате (азимутальное слежение)
cos i = sin Д cos c>(sin <p cos cin
(12)
производился по формуле (9), с разницей в нахождении угла между направлением на Солнце и нормалью (вместо используется /). Данный
угол определялся по формуле [8-11]:
cos со + sill ап sill со) —
sin 8cos срcos ап 1 + cos /?[cos 8cos срcos со + sin 8 sin <p\
(13)
где аП- азимут приемника.
При слежении за Солнцем по азимуту, азимут приемника равен азимуту Солнца ( ап =а ) и определялся по формуле [6-11]:
а = arcsin
coser
(14)
где а - угол высоты Солнца определялся по формуле:
а = агсБт(Бт5 япр + соб5 собф соБю)^а = агсБт(соБ0 ). (15)
Суммарная интенсивность солнечного излучения при полной ориентации поверхности была рассчитана по выражению [1]:
Для расчета температуры окружающего воздуха были привлечены ежечасные данные по температуре окружающего воздуха, приведенные в справочнике [13] и применялась аналитическая зависимость изменения температуры воздуха в течение времени, учитывающая среднесуточную, суточную амплитуду, период изменения температуры воздуха [7-12].
Все вышеприведенные выражения были учтены в разработанной математической модели. На рисунке 1 приведены результаты теоретических расчетов энергоэффективности на основе математической модели вольт-амперной характеристики (ВАХ) и ватт-амперная характеристика (ВВХ) ФЭП:
а - ВАХ
50 45 40 -р 35 ей ~ 30 1- i Е< Е
X 3" 20 о ^ 15 10 5 0 3 =< У Е
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Силаток{А]
б - ВВХ
Рис. 1. Характеристики модуля ФЭП при теоретических расчетах, стандартных без слежения с ориентацией на Юг:
а - ВАХ 21 мая в 10 часов; б - ВВХ Fig. 1. Characteristics of the FEP module in case of theoretical calculations, standard without tracking with orientation to the
South: a - VAKH on May 21 at ten o'clock; b - VVH
Результаты экспериментальных
исследований. Нами разработана мобильная солнечная фотоэлектрическая станция, представляющая в виде чемодана (дипломата) встроены с одной стороны фотоэлектрический модуль, с другой стороны встроены принадлежащие к станции оборудования (инвентарь, аккумулятор, угломер и ножки для крепления станции). Исследования мобильной станципроведены в дайханском объединений Хатаб-Атамыратского этрапа (района) Лебапского велаята (области) Юго -Восточного Туркменистана, находящийся: 38о северной широты; 53о восточной долготы.
Экспериментальные исследования проведены в двух режимах: станция ориентирована на юг с изменением угла наклона; станция ориентирована на юг с изменением угла наклона и слежения за солнцем. Результаты экспериментальных вольт, ватт-амперных характеристики модуля ФЭП при теоретических расчетах, без слежения стандартной с ориентацией на юг под углом к горизонту 60°, со слежением азимутальным под углом к горизонту 60°, ориентацией слежения за солнцем, 18 мая 2015 года в 10 часов, приведены в таблице и на рис. 2.
Таблица
Теоретические расчеты фотоэлектрического модуля и экспериментальные исследования со слежением и без нее
Table
Theoretical calculations of the photo-electric module and pilot studies with and without tracking
Энергетические параметры Теоретические расчеты Со слежением Без слежения
R -Солнечная радиация Вт/ кв.м 1 094,891 912,4088 729,927
I кз- Сила тока (А) 3 2,5 2
ихх - Напряжения (В) 21,2 21,1 20
I опт- Сила тока (А) 2,7 2 1,5
иопт - Напряжения (В) 16,5 15 15
Р опт - мощность (Вт) 44,55 30 22,5
П- кпд (%) 15,41753 15,3448 14,54484
Регрессивная зависимость и коэффициент корреляционная при теоретических расчетах на основе математической модели мобильной станции фотоэлектрической станции:
вольт-амперной характеристики равна: у = -0,1127х + 3,7694; R2 = 0.4961;
вольт-ваттная характеристика: у = 10,022х + 8,551; R2 = 0,3486.
Регрессивная зависимость и коэффициент корреляционная при экспериментальных
исследованиях мобильной станции
фотоэлектрической станции:
ВАХ у = -0,104х + 3,0434; R2 = 0.6203;
ВАХ со слежением за солнцем: у = 0,0818х + 2,4356; R2 = 0,5804;
ВВХ без слежения за солнцем ориентированной на юг: у = 7,1586х + 5,8938; R2 = 0,2361;
ВВХ со слежением за солнцем с поворотом на 60 градусов: у = 7,9471х + 8,2286; R2 = 0,2599;
а - ВАХ
б - ВВХ
Рис. 2. Характеристики модуля ФЭП при теоретических расчетах, без слежения стандартной с азимутальной ориентацией на Юг под углом к горизонту 60°, со слежением за солнцем: а - ВАХ 18 мая в 10 часов; б - ВВХ Fig. 2. Characteristics of the FEP module in theoretical calculations, without tracking standard with azimuthal orientation to the south at an angle of 60 ° to the horizon, with tracking for the Sun: a - VAKH on May 18 at ten o'clock; b- VVH
Результаты компьютерного
моделирования и их обсуждение
Результаты моделирования работы модуля ФЭП, характеристики которого приведены выше, для климатических условий юго-восточных районов Туркменистана (ф = 38°), в 10 ч локального солнечного времени 18 мая представлены на рис. 2. Анализ показывает, что выходная мощность модуля ФЭП с системой слежения за Солнцем в указанное время значительно больше мощности стационарного. Полная ориентация модуля на Солнце дает практически те же характеристики, что и при частичной (азимутальной) ориентации. Следовательно, проведение подобного сравнительного моделирования
энергоэффективности для круглогодичного периода позволит дать оценку о целесообразности применения систем
автоматизированного слежения в СУ с ФЭП.
Выводы
Математическая модель энергоэффективности позволяет оценить влияние на выходные экономические характеристики модуля ФЭП, как внутренних (число последовательно, параллельно соединенных элементов,
внутреннего сопротивления), так и внешних
факторов (интенсивности солнечного излучения, температуры воздуха, степени ориентации модуля ФЭП на Солнце в зависимости от времени года и суток).
Сравнение полученных при моделировании значений интенсивности солнечного излучения с данными, приведенными в таблице 1 и рис. 1 показало, что погрешность не превышает 12%, а температуры окружающего воздуха с данными, приведенными в справочнике по климату - 5%. Сопоставление значений JoK3, Uoxx, P max полученных при моделировании со значениями, приведенными в паспортных данных модуля ФЭП, подтверждает адекватность разработанной модели. Со слежением мощность и сила тока увеличивается на 15 % ,естественно и КПД увеличивается на 1 %. в 10 часов утра,
Математическую модель можно
использовать для оценки целесообразности применения систем автоматического слежения в СУ с ФЭП.
Список литературы
1. Бердымухамедов, Г. М. Государственное регулирование социально-экономического развития Туркменистана. Том 1. А.: Туркменская государственная издательская служба, 2010.
2. Пенджиев, А. М. Изменение климата и возможности уменьшения антропогенных нагрузок. Монография. LAMBERT Academic Publishing, 2012
3. Пенджиев, А. М. Экологические проблемы освоения пустынь. Монография, Издатель: LAP LAMBERT Academic Publishing 2014, - 226 с.
4. Пенджиев, А. М. Планирование развития фотоэнергетики в Туркменистане // Экологическое планирование и управление. 2007. - № 4.
5. Пенджиев, А. М. Ожидаемая эколого-экономическая эффективность использования фотоэлектрической станции в пустынной зоне Туркменистана // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2007. - № 5. - С. 135-137.
6. Пенджиев, А. М., Астанов, Н. Г., Пенжиев, М. А.. Использование солнечно-энергетических установок в заповедных зонах Туркменистана для улучшения аридной экосистемы //Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (104) 2011. - С. 26-32.
7. Пенджиев, А. М. Возобновляемая энергетика и экология (обобщение статей)//Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (148) 2014. - С. 45-78
8. Пенджиев, А. М. Механизм чистого развития: приоритеты энергоэффективности в Туркменистане .// Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 10 (78), 2009. - С. 142-148
9. Пенджиев, А. М. Перспективы альтернативной энергетики и ее экологический потенциал в Туркменистане. //Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 9 (77), 2009. - С. 131-139
10. Раушенбах, Г. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 360 с.
11. Стребков, Д. С., Пенджиев, А. М., Мамедсахатов, Б. Д. Развитие солнечной энергетики в Туркменистане. Монография. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012.
12. Использование солнечной энергии. Под редакцией профессора Рыбаковой Л.Е. Ашхабад: Ылым, 1985.
13. Научно - прикладной справочник по климату СССР. Серия 3, ч.1-16, вып. 1-30, Л.: 1989. - 502 с.
References
1. Berdimukhamedov, G. M. State regulation of social and economic development of Turkmenistan. Volume 1. A.: Turkmen public Publishing service, 2010.
2. Pendzhiyev, A. M. Climate change and possibilities of reduction of anthropogenous stress loads. A Monograph. LAMBERT Academic Publishing, 2012.
3. Pendzhiyev, A. M. Environmental problems of the development of deserts. A Monograph, Publisher: LAP LAMBERT Academic Publishing 2014. 226 p.
4. Pendzhiyev, A. M. Development planning of photopower in Turkmenistan// Ecological planning and management. 2007. No. 4.
5. Pendzhiyev, A. M. The expected environmental and economic efficiency of using the photo-electric station in a desert zone of Turkmenistan// Alternative power engineering and ecology - ISJAEE. 2007. No. 5. Pp. 135-137.
6. Pendzhiyev, A. M., Astanov, N. G., Penzhiyev, M. A. The use of solar power stations in reserved zones of Turkmenistan for improvement of an arid ecosystem//the International scientific magazine «Alternative Power Engineering and Ecology» No. 12 (104) 2011. Pp. 26-32.
7. Pendzhiyev, A. M. Renewable power and ecology (articles review)// The International scientific magazine «Alternative Power Engineering and Ecology» No. 08 (148) 2014. Pp. 45-78.
8. Pendzhiyev, A. M. Clean development mechanism: energy efficiency priorities in Turkmenistan // The International scientific magazine «Alternative Power Engineering and Ecology» No. 10 (78), 2009. Pp. 142-148.
9. Pendzhiyev, A. M. Prospects of alternative power engineering and its ecological potential in Turkmenistan // The International scientific magazine «Alternative Power Engineering and Ecology» No. 9 (77), 2009. Pp. 131-139.
10. Raushenbakh, G. Reference book on designing of solar batteries: Transl. from English. M.: Energoatomizdat, 1983. 360 p.
11. Strebkov, D. S., Pendzhiyev, A. M., Mamedsakhatov, B. D. Development of solar power in Turkmenistan. A Monograph. M.: I BEND VIESH, 2012.
12. Use of a solar energy. Under edition of professor Rybakova L. E. Ashkhabad: Ylym, 1985.
13. Scientifically-applied reference book on climate of the USSR. Series 3, p. 1-16, issue 1-30, L.: 1989. 502 p.
Пенджиев Ахмет Мырадович, доктор сельскохозяйственных наук, академик МАНЭБ, доцент
Астанов Непес Гурдович, Специалист Атамурадского района, Лебапского велаята Туркменистана
Akhmet M. Penjiyev, Doctor of Agricultural Sciences, Academician of MANEB, Associate Professor
Nepes G. Astanov, Expert of Atamurad Regional Department of National Education, Lebap Area, Turkmenistan
