Научная статья на тему 'ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ'

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
255
55
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
альтернативная энергетика / солнечная электростанция / фотоэлектрические системы / моделирование / программный код / alternative energy / solar power plant / photovoltaic systems / modeling / software code

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — B.Ю. Ильичев, C.А. Кусачева, И.Н. Лыков

В структуре мирового энергопотребления постепенно уменьшается доля традиционных источников энергии и увеличивается доля так называемых альтернативных или нетрадиционных. Представленное исследование может быть положено в основу разработки методов быстрого и наглядного определения характеристик фотоэлектрического преобразователя энергии. В качестве средства моделирования и автоматизации определения параметров процессов при работе фотоэлектрических преобразователей энергии выбраны современные средства программирования. Они имеют в своем арсенале все необходимые функции, благодаря ч ему завоевали широкую популярность в научном мире. Разработаны программные коды для определения основных параметров, характеризующих работу солнечных батарей, для демонстрации работы некоторых из их дополнительных конструктивных элементов (например, устройства для настройки положения панели «по солнцу»). Также созданы средства для вычисления электрических характеристик панели, позволяющих оценить эффективность их применения в конкретной местности при заданных условиях освещения с учетом влияния температуры. Для наглядности вычисленные параметры выводятся с помощью специальных программных средств в виде графических зависимостей. По результатам проведенного исследования сделано заключение о перспективах использованного подхода для вычисления параметров фотоэлектрических систем, а также других установок альтернативной (нетрадиционной) энергетики.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — B.Ю. Ильичев, C.А. Кусачева, И.Н. Лыков

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STUDY OF THE CHARACTERISTICS OF PHOTOVOLTAIC SOLAR PANELS

In the structure of global energy consumption, the share of traditional energy sources is gradually decreasing, and the share of so-called alternative or unconventional sources is increasing. The presented research is a basis for the development of rapid and visual characterization of photovoltaic energy converter method. As a means of modeling and automation of determining the parameters of processes in the operation of photovoltaic energy converters selected modern programming tools. They have all necessary functions, thanks to what have gained wide popularity in the scientific world. Software codes have been developed to determine the basic parameters that characterize the operation of solar panels, to demonstrate the operation of some of their additional structural elements (for example, a device for adjusting the panel position “by the sun”). Also tools for calculating electrical characteristics of the panel are created, which allow to evaluate the effectiveness of their use in a particular area under given lighting conditions, taking into account the influence of temperature. For clarity, the calculated parameters are displayed using special software in the form of graphic relationships. Based on the results of the study, a conclusion about the prospects of the approach used to calculate the parameters of photovoltaic systems, as well as other installations of alternative (nonconventional) energy.

Текст научной работы на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ»

УДК 621.311.243 DOI: 10.24412/1816-1863-2022-2-34-39

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ

В. Ю. Ильичев, к. т. н., доцент Калужского филиала ФГОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (НИУ)», профессор Российской академии естествознания, Калуга, Россия, patrol8@yandex.ru, ^ С. А. Кусачева, к. б. н, доцент кафедры «Экология и промышленная безопасность»,

Калужский филиал ФГОУ ВО «Московский государственный технический университет х имени Н. Э. Баумана (НИУ)», Калуга, Россия,

а* И. Н. Лыков, д. б. н, профессор, научный руководитель института естествознания

о

m

I-

U

w

т О X

О ^

и а

О

и

и медицинского института Калужского государственного университета

ш им. К. Э. Циолковского, Калуга, Россия, linprof47@yandex.ru х

о -

¡X В структуре мирового энергопотребления постепенно уменьшается доля традиционных источи ников энергии и увеличивается доля так называемых альтернативных или нетрадиционных. ¡£ Представленное исследование может быть положено в основу разработки методов быстрого и ^ наглядного определения характеристик фотоэлектрического преобразователя энергии. В качест-х ве средства моделирования и автоматизации определения параметров процессов при работе фо-Ф тоэлектрических преобразователей энергии выбраны современные средства программирования. с Они имеют в своем арсенале все необходимые функции, благодаря ч ему завоевали широкую по-

(Г)

пулярность в научном мире. Разработаны программные коды для определения основных параметров, характеризующих работу солнечных батарей, для демонстрации работы некоторых из их дополнительных конструктивных элементов (например, устройства для настройки положения О панели «по солнцу»). Также созданы средства для вычисления электрических характеристик паи нели, позволяющих оценить эффективность их применения в конкретной местности при задан-ных условиях освещения с учетом влияния температуры. Для наглядности вычисленные параметры выводятся с помощью специальных программных средств в виде графических зависимостей. О По результатам проведенного исследования сделано заключение о перспективах использован-§ ного подхода для вычисления параметров фотоэлектрических систем, а также других установок альтернативной (нетрадиционной) энергетики.

In the structure of global energy consumption, the share of traditional energy sources is gradually decreasing, and the share of so-called alternative or unconventional sources is increasing. The presented research is a basis for the development of rapid and visual characterization of photovoltaic energy converter method. As a means of modeling and automation of determining the parameters of processes in the operation of photovoltaic energy converters selected modern programming tools. They have all necessary functions, thanks to what have gained wide popularity in the scientific world. Software codes have been developed to determine the basic parameters that characterize the operation of solar panels, to demonstrate the operation of some of their additional structural elements (for example, a device for adjusting the panel position "by the sun"). Also tools for calculating electrical characteristics of the panel are created, which allow to evaluate the effectiveness of their use in a particular area under given lighting conditions, taking into account the influence of temperature. For clarity, the calculated parameters are displayed using special software in the form of graphic relationships. Based on the results of the study, a conclusion about the prospects of the approach used to calculate the parameters of photovoltaic systems, as well as other installations of alternative (nonconventional) energy.

Ключевые слова: альтернативная энергетика, солнечная электростанция, фотоэлектрические системы, моделирование, программный код.

Keywords: alternative energy, solar power plant, photovoltaic systems, modeling, software code.

34

Введение

Одним из набирающих все большую популярность для экологически чистого производства электроэнергии источников являются так называемые фотоэлектрические панели, часто называемые также солнечными панелями или батареями [1].

Увеличение доли использования данного источника электроэнергии можно

объяснить нижеперечисленными его достоинствами [2]:

• экологичностью благодаря отсутствию выбросов;

• уменьшением использования «грязных» углеводородных топлив, являющихся основными в структуре современной мировой энергетики (что также приводит к повышению ее экологичности);

• большим количеством мест, в которых отсутствуют или д обываются в недостаточных количествах традиционные ископаемые топлива (газ, нефть, уголь);

• появлением новых м атериалов и технологий, позволяющим существенно увеличить мощность, вырабатываемую единицей площади солнечных панелей;

• особенностями Солнца как неисчерпаемого в пределах миллиардов лет источника энергии [3].

Согласно вышеприведенным специфическим характеристикам фотоэлектрических панелей появляется главная цель их совершенствования — максимальное преобразование лучистой солнечной энергии в электрическую (т. е. повышение КПД) при минимизации экономических затрат на их изготовление и предотвращение возможного появления вредных для окружающей среды факторов.

Благодаря несравненной площади Российская Федерация имеет в своем составе огромное количество территорий, выгодных для установки и использования фотоэлектрических панелей [4]. По исследованиям авторов, в нашей стране наиболее эффективно использование именно такого способа преобразования солнечной энергии в электрическую (без промежуточной выработки тепловой энергии). При этом даже в центральных регионах возможна выработка мощности (на единицу площади панели), примерно сопоставимой с европейскими странами, например, Германией, считающейся одним из мировых лидеров солнечной электрогенерации. Также можно отметить выгоду от создания гибридной электросети, в которой фотоэлектрические системы дополняют мощность традиционных тепловых электростанций (ТЭС).

Необходимо при этом учитывать, что солнечное излучение не является идеальным источником энергии из-за следующих недостатков:

• очень часто необходимы дополнительные затраты для подключения фотоэлектрических систем к специальным системам их перемещения, следующих за изменяющимся видимым положением Солнца;

• в земных условиях значительная часть энергии Солнца не проходит через атмосферу;

• фотоэлектрические панели имеют достаточно низкий электрический КПД (в лучших образцах приближаясь к 25 %, что, однако, ниже КПД тепловой станции, для которой этот показатель выше приблизительно на 10 %). Следует учитывать, что по мере развития технологий изготовления и установки солнечных элементов д ва последних недостатка нивелируются быстрыми темпами и примерно в течение десятка лет перестанут быть значимыми, тогда как их эколо-гичность останется вне конкуренции.

Для расчета солнечных панелей особенно важны два понятия: иррадиация и инсоляция. Иррадиация — это мощность солнечного излучения, приходящего к некоторой поверхности, измеряемая в ваттах на квадратный метр. Инсоляция — это энергия излучения Солнца (Вт -ч) на 1 м2, рассчитываемая за период времени. Иными словами, инсоляция измеряется в Вт-ч/м2 в день или год [5]. Именно инсоляция используется в большинстве баз данных по солнечному излучению в разных регионах Земли.

Методы исследований

Для достижения целей данного исследования выбран очень популярный благодаря своей универсальности язык программирования Python с использованием модуля PVlib, позволяющих получать некоторые основные характеристики фотоэлектрических панелей. Основой библиотеки PVlib стали программно оформленные методики расчета характеристик процесса преобразования лучистой энергии с использованием полупроводниковых устройств (что из себя и представляют фотоэлектрические панели). Также реализован процесс визуального графического представления результатов расчетов с помощью дополнительных библиотек функций [6].

Связка программных инструментов PVlib и Python позволяет как программисту, так и пользователю разработанной программы выбирать координаты расположения фотоэлектрической панели, ее м о-дель и характеристики дополнительных устройств солнечного преобразователя, например, модель инвертора. Для моделирования фотоэлектрической системы используются усредненные за несколько де-

о>

О

О -1 X х

CD

Г)

О

б

CD ы

О ^

0 Г)

1

о

Г)

Г) -I

тз

о

-I

CD

О-

Г> -I 03

О

О ТЗ О Ш

Г)

О

X

о

ы ш

Г) -I

оз О

35

D m i-

U

w

CO

О X

О ^

и a

О ^

О

D

U

CD iS

О ^

I-

u

и о

X

и D С

О со CD VO ч;

D ^

U CD т X

О (Г)

сятков лет погодные данные. Возможно также использовать и любую базу другого типа — например, погодные данные за предыдущий календарный год

Разработанные авторами программы на языке Python для расчета характеристик фотоэлектрических систем содержат следующие блоки:

• загрузка библиотек команд, необходимых для решения конкретной задачи;

• использование баз данных по солнечной активности для конкретной местности;

• проведение расчета электрических или прочих характеристик используемого модуля с использованием загруженных функций;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

• представление результатов расчета в графическом виде.

Модуль PVlib позволяет рассчитать и построить множество различных характеристик солнечных электрических панелей, но ввиду большой их численности приведем расчет лишь некоторых:

• наклон простого привода панели — трекера с одной осью (изменяющего положение панели во фронтальной плоскости) в зависимости от положения Солнца над линией горизонта;

• вольтамперные характеристики, считающихся основными для фотоэлектрических устройств, которые зависят от иррадиации и температуры панелей.

Результаты и обсуждение

Получена зависимость угла наклона вертикального трекера солнечной панели от времени. Ось абсцисс отражает отрезки времени в течение одного выбранного календарного дня. Модель иллюстрирует особенности работы данного трекера.

Направление оси Y определяет так называемый азимут трекера. Ось Х повернута относительно оси Y на 90 градусов по часовой стрелке. Ось Z всегда ориентирована по направлению нахождения Солнца по касательной к поверхности Земли. Переменная программного пакета tracker_theta является вычисляемым углом поворота показывает горизонтальное положение трекера. Трекер должен поворачиваться по отношению к Солнцу («следить» за Солнцем) таким образом, чтобы увеличивать значение попадающей на панель лучистой энергии.

Вначале программа вычисляет положение Солнца (для примера взяты координаты города Москва) в разное время суток. При этом понадобилось подключение функций библиотеки для научных вычислений Pandas. После этого с использованием функций PVlib вычислены углы вертикального поворота трекера. Результаты расчета изменения углов наклона трекера для одних суток представлены на рис. 1.

Приведенный график (рис. 1) отображает изменение разных характерных уг-

36

100 г 75 50

25

^ -25

-50

-75

-100

traker_theta aoi

surface tilt

_L_

07-09 00 07-09 03 07-09 06 07-09 09 07-09 12 07-09 15 07-09 18 07-09 21 07-10 00

Время дня

Рис. 1. Результаты вычисления изменения положения трекера с одной осью

0

w о H

30

Напряжение, В

Рис. 2. Вольтамперные характеристики солнечного модуля (ГУ-кривые) — верхняя линия на легенде соответствует верхней на графике и т. д.

лов от времени): tracker_theta — угол наклона трекера по отношению к Земле; surface_tilt — угол между осью трекера и поверхностью Земли, а также aoi — угол попадания иррадиации на поверхность трекера.

После этого на языке Python с использованием модуля PVlib создана программа для расчета вольтамперной характеристики солнечного модуля (так называемой IV-кривой). Для примера рассчитан про-мышленно изготовляемый фотоэлектрический модуль. Необходимые для расчета параметры солнечного модуля были взяты из литературы [7].

Вначале моделировались зависимости электрических параметров вольтамперной характеристики от освещенности и температуры. Для этого были использованы базовые характеристики м одуля при эталонных условиях [8]. Затем выполнено вычисление вольтамперной характеристики модуля с использованием метода Ламберта [9].

С использованием вспомогательной библиотеки Matplotlib в графическом ви-

де были оформлены результаты расчетов (рис. 2), представляющие вольтамперные характеристики при разных задаваемых рабочих условиях.

Как следует из представленных на рис. 2 данных, в начале полученные характеристики линейны. Сила тока, откладываемая по вертикальной оси, равна току данного энергоисточника при коротком замыкании. Ток короткого замыкания зависит от оптических свойств и геометрической площади фотоэлектрической панели, от спектра и мощности лучистой энергии Солнца. Вторая хорошо прослеживаемая по графикам характеристика солнечной панели — напряжение холостого хода, практически одинаковое для всех рассматриваемых режимов (в конце характеристики).

Программа также обозначает точки, в которых достигается наибольшая мощность, поэтому именно на этих режимах и рекомендуется применять рассматриваемую панель. В электрических схемах фотоэлектрических устройств рекомендуется предусматривать устройства автома-

о>

О

О -i X х

CD

Г)

О

б

а>

ы О х

0 Г)

1

о

Г)

Г) -I

тз

о

-I

а>

О-

Г> -I 03

О

О ТЗ О Ш

Г)

О

X

о

ы ш

Г) -I

оз О

37

4

3

2

1

0

о

m

I-

U

w

CO

О X

О ^

и a

О

ср

О

о

ca

U

Ш

IX

О CP

I-

u

и о

X

и о

с

о

со Ф

vo

О ^

U

ш

т

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

о (Г)

тического определения этих точек (с помощью использованных в рассмотренной программе методов), позволяющие достичь максимальной мощности панели при разнообразных рабочих условиях.

Представленная работа также, как и многие проведенные ранее исследования (например, [10, 11]), доказывает удобство и при этом относительную простоту использования языка Python для построения характеристик энергетических установок разного типа.

Следует отметить, что исследователи альтернативных источников энергии и программисты непрерывно занимаются совершенствованием библиотеки PVlib для языка Python, разрабатывают и внедряют новые функции для решения основных задач моделирования работы новых типов экологически чистых, надежных и эффективных солнечных модулей. Данный процесс приводит не только к д альнейше-му совершенствованию солнечных фотоэлектрических панелей, но и к улучшению экологической ситуации в регионах,

Библиографический список

для которых оправдано использование этого типа энергоисточников (а таких регионов становится все больше по мере увеличения КПД солнечных модулей и исчерпания запасов ископаемого топлива).

Выводы

1. Выполнен обзор достоинств и недостатков солнечных энергоустановок фотоэлектрического типа.

2. Описаны программные средства языка Python для реализации расчета характеристик фотоэлектрических модулей.

3. Разработаны программные коды для демонстрации некоторых возможностей определения основных характеристик солнечных панелей.

4. Произведен расчет углов наклона устройства для перемещения панели вслед за изменением видимого положения Солнца на небе в выбранном районе, а также электрических (вольтамперных) характеристик одной из промышленно выпускаемых панелей.

1. Litvin N. V., Lokonova E. L., Zheleznyakova A. V., Zarochintseva I. V. Modeling solar battery efficiency // Ingineering Journal of Don. — 2022. — № 1 (85). — С. 117—130.

2. Шонина Д. Е., Нечаев И. С., Фролова К. Ю. Зависимость работы солнечной батареи от солнечного света // Студенческий. — 2020. — № 39-5 (125). — С. 90—92.

3. Адорский А. П. Возможность использования солнечной энергии для генерации электричества и тепловой энергии // Научный лидер. — 2021. — № 40 (42). — С. 116—117.

4. Якупова Н. А. Исследование солнечной энергии. Потенциал солнечной энергии // Студенческий. — 2020. — № 27-2 (113). — С. 15—17.

5. Джанкулаев А. А., Тухужева Л. А. Инсоляция жилых и общественных зданий // Вопросы науки и образования. — 2019. — № 33 (83). — С. 86—88.

6. Ilichev V. Y. Development of program for determination of fractal dimensions of images // International Research Journal. — 2021. — № 4-1 (106). — С. 6—10.

7. PV Module CS5P-220M Details. — URL: http://www.solarhub.com/solarhub_products/106-CS5P-220M-Canadian-Solar, дата обращения: 02.05.2022.

8. W. De Soto, S. A. Klein, W. A. Beckman. Improvement and validation of a model for photovoltaic array performance. // Solar Energy. — 2006. — 80. — С. 78—88.

9. Жирнов А. А., Титов С. С., Кудряшова О. Б. Экспериментальное определение характеристик спектрометра для оптических измерений // Южно-Сибирский научный вестник. — 2017. — № 4 (20). — С. 167—170.

10. Ильичев В. Ю., Герасимова Н. С., Мусатов Д. А. Автоматизация расчета ступени паровой турбины с помощью программы на языке Python // E-Scio. — 2022. — № 1 (64). — С. 20—32.

11. Ильичев В. Ю., Юрик Е. А. Разработка методики расчета оптимального распределения электрической мощности между энергоблоками КЭС // Известия МГТУМАМИ. — 2021. — № 2 (48). — С. 18—25.

STUDY OF THE CHARACTERISTICS OF PHOTOVOLTAIC SOLAR PANELS

38

V. Y. Il'ichev, Ph. D. (Technical sciences), assoc. professor, the Departments "Thermal engines

and hydraulic machines", "Mechatronics and robotics systems", Kaluga branch

of N. E. Bauman Moscow State Technical University, patrol8@yandex.ru, Kaluga, Russia,

S. A. Kusacheva, Doctor Habil. (Biology), assoc. professor of the Department "Ecology

and Industrial Safety", Kaluga branch of N. E. Bauman Moscow State Technical University, K

Kaluga, Russia, §

I. N. Lykov, Doctor Habil. (Biology), Professor, Scientific Director of the Institute of Natural r

Sciences, Medical Institute of K. E. Tsiolkovsky Kaluga State University, linprof47@yandex.ru, 5

Kaluga, Russia O

K

Q

References ^

CD

w

1. Litvin N. V., Lokonova E. L., Zheleznyakova A. V., Zarochintseva I. V. Modeling solar battery efficiency. O Ingineering Journal of Don. 2022. No. 1 (85). P. 117—130. q

2. Shonina D. E., Nechaev I. S., Frolova K. Yu. Zavisimost raboty solnechnoj batarei ot solnechnogo sveta ^ [Dependence of solar panel operation on sunlight]. Student's. 2020. No. 39-5 (125). P. 90—92 [in Rus- O sian]. p

3. Adorskij A. P. Vozmozhnost ispolzovaniya solnechnoj energii dlya generacii elektrichestva i teplovoj energii ° [The possibility of using solar energy to generate electricity and thermal energy]. Scientific Leader 2021. p No. 40 (42). P. 116—117 [in Russian]. u

4. Yakupova N. A. Issledovanie solnechnoj energii. Potencial solnechnoj energii. [Research on solar energy. The ^ potential of solar energy]. Student's. 2020. No. 27—2 (113). P. 15—17 [in Russian]. ^

5. Dzhankulaev A. A., Tuhuzheva L. A. Insolyaciya zhilyh i obshestvennyh zdanij [Insolation of residential Q and public buildings] Issues of Science and Education]. 2019. No. 33 (83). P. 86—88 [in Russian]. Q

6. Ilichev V. Y. Development of program for determination of fractal dimensions of images // International s Research Journal. 2021. No. 4-1 (106). pp. 6—10.

7. PV Module CS5P-220M Details. — URL: http://www.solarhub.com/solarhub_products/106-CS5P-

O T3

220M-Canadian-Solar, access data: 02.05.2022. O

8. W. De Soto, S. A. Klein, W. A. Beckman. Improvement and validation of a model for photovoltaic array n performance. Solar Energy. Vol. 80. 2006. P. 78-88. O

9. Zhirnov A. A., Titov S. S., Kudryashova O. B. Eksperimentalnoe opredelenie harakteristikspektrometra dlya o opticheskih izmerenij [Experimental characterization of a spectrometer for optical measurements. South Sibe- X rian]. Scientific Bulletin. 2017. No. 4 (20). P. 167—170 [in Russian].

10. Ilichev V. Yu., Gerasimova N. S., Musatov D. A. Avtomatizaciya raschyota stupeni parovoj turbiny s po-moshyu programmy na yazyke Python. [Automation of steam turbine stage calculation with a Python program]. E-Scio. 2022. No. 1 (64). P. 20—32 [in Russian]. q

11. Ilichev V. Yu., Yurik E. A. Razrabotka metodiki raschyota optimalnogo raspredeleniya elektricheskoj mosh-nosti mezhdu energoblokami KES. Izvestiya MGTU MAMI. [Development of methods for calculating the optimal allocation of electric power between the power units of KES]. Izvestiya MSTU MAMI. 2021. No. 2 (48). P. 18—25 [in Russian].

O w

n

-I 03

39

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.