CC BY
7Статья поступила в редакцию 11.03.12. Ред. рег. № 1263 The article has entered in publishing office 11.03.12. Ed. reg. No. 1263
УДК 621.47
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ
С.Е. Щеклеин, Ю.Е. Немихин, В. И. Велькин, В. В. Власов, С.А. Коржавин, Е.В. Серкова
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина 620002 Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, д. 5 Тел.: 8 (343) 375-97-37, e-mail: nemikhin@rambler.ru, s.e.sheklein@ustu.ru
Заключение совета рецензентов: 21.03.12 Заключение совета экспертов: 25.03.12 Принято к публикации: 28.03.12
Изложены результаты исследования солнечных фотоэлектрических преобразователей в условиях Уральского региона, приведены основные характеристики изменения входного напряжения и изменения эффективного КПД для каждого элемента стенда. Приведены данные по выработке электрической энергии с 1 м2 фотоэлектрического преобразователя, определены потери для каждого элемента стенда и рассмотрены мероприятия по улучшению энергетической эффективности для солнечной станции.
Ключевые слова: возобновляемый источник энергии, случайная и детерминированная компоненты климатических процессов, модель нестационарного случайного процесса.
INVESTIGATION OF SOLAR PHOTOVOLTAIC CELLS EFFICIENCY UNDER NATURAL CONDITIONS
S.E. Shcheklein, Yu.E. Nemihin, V.I. Velkin, V.V. Vlasov, S.A. Korzhavin, E.V. Serkova
Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin
5 S.Kovalevskoy str., Yekaterinburg, 620002, Russia Tel.: 8 (343) 375-97-37, e-mail: nemikhin@rambler.ru, s.e.sheklein@ustu.ru
Referred: 21.03.12 Expertise: 25.03.12 Accepted: 28.03.12
The article describes investigation of solar photovoltaic energy system in the Ural region, the changes of input voltage and efficiency of each element in the experimental solar power system has been measured. The value of electric energy production per 1 m2 of the photovoltaic cell was obtained, energy losses for each element of the solar power system has been identified. Based on these studies recommendations to improve the energy efficiency of solar power stations in Ural region have been formulated.
Keywords: renewable energy, stochastic and deterministic components of weather parameters, model of nonstationary random process.
Юрий Евгеньевич Немихин
Сведения об авторе: старший преподаватель кафедры «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» УрФУ.
Образование: УрГУ им. А.М. Горького (1971 г.).
Область научных интересов: солнечная энергетика, ветровая энергетика, биоэнергетика, системы аккумулирования энергии. Публикации: 54.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (107) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Сведения об авторе: ст. преподаватель кафедры «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» УрФУ. Лауреат премии национальной лаборатории им. Лоуренса (США) за комплекс работ по безопасности объектов атомной энергетики.
Образование: Уральский гос. тех. университет (УГТУ-УПИ) (1999 г.).
Область научных интересов: обоснование схем энергоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии, моделирование нестационарных случайных процессов.
Публикации: 16.
Вадим Викторович Власов
Сергей Александрович Коржавин
щ
Елена Владимировна Серкова
Сведения об авторе: аспирант кафедры «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» УрФУ. Стипендиат президента РФ.
Образование: УрГТУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина. Теплоэнергетический факультет. Кафедра атомной энергетики (2009 г.).
Область научных интересов: возобновляемая энергетика, биотоплива, автоматизированные системы сбора данных.
Публикации: 10.
Сведения об авторе: студент УрФУ по специальности «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии».
Образование: 5 курс УрФУ.
Область научных интересов анализ работы системы светодиодного освещения на основе солнечных фотоэлектрических преобразователей, модернизация существующих систем для условий Уральского региона.
Публикации: 3.
Исследования выполнены на экспериментальном стенде с фотоэлектрическими преобразователями из кристаллического кремния пиковой мощностью 1,1 кВт с использованием модернизированной системы синхронного мониторинга солнечной радиации и энергопроизводства [1].
На рис. 1 приведена электрическая схема регистрации контролируемых параметров фотоэлектрической станции.
Цель исследований состояла в определении объемов и темпов поступления электрической энергии от испытательного стенда при работе фотоэлектрических преобразователей в натурных условиях солнечной инсоляции, характерных для Уральского региона. Так как испытания имели долговременный характер и проводились в круглосуточном режиме, все операции по сбору и сохранению информации
были автоматизированы. В ручном режиме осуществлялась подготовка стенда к испытаниям, переключение полезных нагрузок и считывание информации для последующего анализа.
Величина суточного прихода солнечной радиации на территории Урала может изменяться более чем в 10 раз. Таким образом, существенные сезонные колебания инсоляции обуславливают необходимость накопления энергии в периоды ее максимального прихода [2, 3].
На экспериментальном стенде было исследовано несколько режимов работы солнечной фотоэлектрической установки [4].
В режиме компенсации саморазряда потребление энергии минимально, поскольку фотоэлектрические преобразователи должны компенсировать только ток утечки аккумуляторных батарей.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (107) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
С.Е. Щеклеин, Ю.Е. Немихин, В.И. Велькин и др. Исследование эффективности СФЭП в натурных условиях
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема регистрации контролируемых параметров фотоэлектрической станции: U-I - выходное напряжение ФЭП; U2 - напряжение выхода контроллера ФЭП; I-i - ток в цепи включения ФЭП; I2 - ток в цепи АКБ; I3 - ток в цепи включения инвертора Fig. 1. Block diagram of the experimental bench: U - solar cells output voltage; U2 - charge controller output voltage; Ii - solar cells current; I2 - battery current; I3 - inverter current
В режимах покрытия полезной нагрузки, помимо компенсации саморазряда АКБ, энергия фотоэлектрических преобразователей распределяется между потреблением полезной активной нагрузки и потерями на преобразование электроэнергии (контроллер заряда АКБ и инвертор). Исследовались режимы работы на активную нагрузку мощностью 0,3 и 0,7 кВт.
разность ее накопления в зоне максимума прихода при равномерном использовании в течение требуемого периода времени.
На рис. 3 приведены данные измерений выходного напряжения ФЭП. Напряжение ФЭП в режимах нагрузки 0,3 и 0,7 кВт практически соответствует характеру изменения напряжения в режиме компенсации саморазряда аккумуляторов, при этом в ночное время выходное напряжение ФЭП равно нулю. Контроллер поддерживает постоянный уровень выходного напряжения за счет использования энергии АКБ стенда в ночное время суток.
Рис. 2. Интенсивность солнечной радиации на поверхности ФЭП для испытаний: ♦ - с АКБ; ■ - с нагрузкой 0,3 кВт;
▲ - с нагрузкой 0,7 кВт Fig. 2. Insolation on the surface of solar cells for testing: ♦ - battery-discharge compensation mode; ■ - active load 0.3 kW; ▲ - active load 0.7 kW
На рис. 2 приведены характерные данные по приходам солнечной радиации на поверхность ФЭП по данным автоматической метеостанции. Анализ показывает наличие выраженной суточной неравномерности прихода энергии и, следовательно, целесооб-
Рис. 3. Выходное напряжение Fig. З. Output voltage
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (107) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Рис. 4. Суточное изменение эффективного КПД Fig. 4. Daily change in the system efficiency
Рис. 5. Энергия, вырабатываемая ФЭП с 1 м2 в сутки Fig. 5. Solar cells daily energy generated per 1 m2
На рис. 4 показано суточное изменение эффективного КПД элементов стенда. Для обоих вариантов нагрузки присутствие в схеме стенда контроллера снижает КПД в периоды времени, соответствующие малым приходам солнечной радиации. В дневные часы влияние контроллера на снижение уровня КПД составляет менее 0,15%.
На рис. 5 показано, сколько энергии в сутки для каждого месяца вырабатывает 1 м2 ФЭП с заявленным КПД 15% в условиях Уральского региона.
Выводы
Выполнены натурные испытания экспериментальной солнечной фотоэлектрической установки в климатических условиях Уральского региона. Результаты испытаний показали высокую надежность экспериментальной установки при непрерывной работе в течение длительного периода (более 1,5 лет). Экспериментально подтверждено, что суточные изменения прихода солнечной энергии и неравномерность суточного потребления можно компенсировать за счет использования буферных электрохимических накопителей энергии (АКБ).
Определены потери энергии в элементах испытательного стенда. Показано, что наибольшие потери наблюдаются в системах инвертирования (до 15%). Данное обстоятельство требует увеличения мощности установки и приводит к повышению ее стоимости. Альтернативным решением является использование потребителей постоянного тока, что сопровождается сложностью использования коммутационных схем, работающих при высоких токах [5].
Список литературы
1. Серкова Е.В., Велькин В.И., Немихин Ю.Е., Щеклеин С.Е. Исследование эффективности солнечных ФЭП при освещении учебного корпуса Урал-ЭНИН с использованием LED светильников. Сборник материалов Всероссийской студенческой научно-практической конференции. УрФУ, 2011. С. 430.
2. Сивков С.И. Методы расчета характеристик солнечной радиации. Л.: Гидрометеоиздат, 1968.
3. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В. А., Малинин Н.К. Солнечная энергетика. М.: Издательский дом МЭИ, 2008.
4. Твайдел Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. М.: Энергоатомиздат, 1990.
5. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М.: Энергоатомиздат, 1987.
— TATA — 1 '"'J
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (107) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
