CC BY
115
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПРОИЗВОДИМОЙ ЭНЕРГИИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СОЛНЕЧНОЙ СТАНЦИИ ОТ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
Джумаев Аганияз Ягшиевич
канд. физ.-мат. наук, проректор по научной работе, Государственный энергетический институт Туркменистана,
Туркменистан, г. Мары E-mail: A.JUMA YEV tm@mail.ru
RESEARCH OF DEPENDENCE OF MADE ENERGY OF PHOTOELECTRIC SOLAR STATION FROM ENVIRONMENTAL CONDITIONS
Aganiyaz Jumayev
PhD, the State energy institute of Turkmenistan,
Turkmenistan, Mary
АННОТАЦИЯ
В работе исследуется зависимость производимой энергии фотоэлектрической солнечной станции от климатических условий Туркменистана. Проведено исследование влияния климатических условий на выработку энергии фотоэлектрической солнечной станции с мощностью 2 кВт построенной в Государственном энергетическом институте Туркменистана. Получены зависимости энергетических параметров солнечной станции при различных климатических условиях Туркменистана.
ABSTRACT
In work dependence of made energy of photo-electric solar station on environmental conditions of Turkmenistan is investigated. Research of influence of environmental conditions on development of energy of photo-electric solar station with capacity of 2 kw constructed in the State energy institute of Turkmenistan is conducted. Dependences of power parameters of solar station are received at various environmental conditions of Turkmenistan.
Ключевые слова: фотоэлектрическая солнечная станция; энергия; климатические условия.
Keywords: photo-electric solar station; energy; environmental conditions.
В мировой практике широко используется две формы энергообеспечения объектов — централизованное и автономное. В последние годы стремление к внедрению чистых технологий способствует наиболее активному развитию автономного энергообеспечения, использующего возобновляемые источники энергии. Использование солнечной энергии в Туркменистане является одной из перспективных ключевых тем, развития альтернативной энергетики.
В климатических условиях Туркменистана практическое использование солнечной энергии во многом зависит от того, насколько точно при проектных разработках были учтены и анализированы закономерности и конкретные данные о приходе солнечной радиации в месте предполагаемой эксплуатации фотоэлектрической солнечной станции.
В рабате по оценке обеспеченности территории Туркменистана ресурсами солнечной энергии [2] проводился анализ статистических характеристик суточных сумм суммарной солнечной радиации в целях районирования территории страны по типам плотности распределения. Появившиеся в последние годы новые источники метеорологической информации, основанные, в частности, на многолетних спутниковых наблюдений за поверхностью земного шара, представляет более детальные актинометрические и метеорологические данные. В частности, значительно расширяет возможность оценки ресурсов солнечной энергии открытый доступ к базе данных Национального агентства по аэронавтики и исследованию космического пространства США NASA SSE ( NASA, Surface meteorology and Solar Energy) [3].
В качестве технического потенциала солнечной энергии определенной территории будем рассматривать в первом варианте расчета удельную выработку электрической энергии одного фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), заданной площадью, работающим на электрическую сеть. В этой простой оценке не предусматривается использование дополнительных устройств аккумулирования электрической энергии, что требуется при сооружении автономных систем электроснабжения. Так как, в этих условиях
технический потенциал солнечной энергии будет отличаться от природного ресурса на величину, определяемую коэффициентом полезного действия ФЭП и промежуточных систем, обеспечивающих передачу энергию в сеть. Во втором варианте расчета предлагается принять, что система автономна и содержит в своем составе простейшие кислотно-свинцовые аккумуляторы.
Для фотоэлектрических солнечных станций, работающих на электрическую сеть, энергию, произведенную ФЭП за определенный период времени можно считать пропорциональной сумме солнечной радиации за этот период, приходящей на поверхность фотоэлектрического преобразователя. Расчет проводился для фотоэлектрической панели, установленной фотоэлектрической солнечной станции с мощностью 2 кВт. Технические параметры фотоэлектрической панели представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Технические параметры фотоэлектрической панели
Мощность солнечной панели , Вт 130
Оптимальное напряжение на выходе солнечной панели, В 17,5
Оптимальный ток на выходе солнечной панели, А 7,43
Максимальное напряжение на выходе солнечной панели, В 22
Максимальный ток на выходе солнечной панели, А 7,96
Температурный режим, градус -400 ^ +850 C
Размеры солнечной панели, мм 1485x666x40mm
Весь солнечной панели, кг 12
Усредненная дневная выработка для группы фотоэлектрических панелей количеством N в ьом месяце определяется как:
Еа^ I = Пту • Пру • N • Е|./100 ,
где входящие величины представлены в таблице 2.
Таблица 2.
_Условные обозначения величин и их расшифровка_
№№ Символ Расшифровка Ед.измерения
1 Е1 Удельный приход солнечного излучения в ьом месяце (кВт-ч/м2/день)
2 Пру КПД фотоэлектрической панели %
^ сгеа!ес1 Ьу ^ее уетоп
д Роа^геегег
3 ncont КПД контроллера %
4 N„ Количество фотоэлектрических панелей шт
5 ninv КПД инвертора %
6 Sss Площадь одной фотоэлектрической панели м2
7 Eadv I Усредненная дневная выработка кВтч
8 Uch Напряжение заряда аккумулятора В
9 Udch Напряжение разряда аккумулятора В
В случае сетевой энергоустановки при расчетах учитывается только КПД инвертора. В случае автономной установки предполается обязательное присутствие в системе аккумулятора. Соответственно, при расчетах необходимо учесть кпд аккумулятора (определяется как отношение напряжение разряда к напряжению заряда), кпд контроллера заряда и инвертора. Формула расчета приобретает следующий вид:
Eadv I = ninv • npv • %ont • • Sss- Nn • Ei • (Udch/ Uch )/100.
При расчетах учитываются параметры приборов установленные в фотоэлектрической солнечной станции. Расчеты проводились для г. Мары с географическими координатами 37°6f северной широты и 61°8f восточной долготы. Результаты расчетов, представленные на рисунке 1 показали, что поученные данные свидетельствуют о возможности использования международных баз данных NASA для расчетов солнечной радиации в рассматриваемом районе.
Ei, кВт ч/м2 Eadv, кВт-ч 8
7
б
5
4
3
2
1
О I I I I I I I-1-1 I I 1 I
1 234 56 7 89 10 11 12 МССЯЦЫ
Рисунок 1. Усредненая дневная выработка для группы фотоэлектрических
панелей
В зависимости климатических условий и различные времена года интенсивность солнечного излучения принимает различные значения. Низкие энергетические характеристики солнечного излучения в зимнее время требуют завышенных мощностей преобразователей солнечной энергии, что приводит к их неэффективному использованию в летний период. Очевидно, что для снижения стоимости электроэнергии производимой фотоэлектрическими преобразователями нужно уменьшение площади ФЭП, для этого стремятся повысить КПД. На практике повышение КПД фотоэлектрических преобразователей сопровождается повышением их стоимости, следовательно, снижение стоимости производимой электроэнергии будет незначительно, и в Туркменистане по сравнению дешевой сетевой электроэнергии будет оставаться все еще выше стоимости электроэнергии вырабатываемой традиционным способам.
Наши исследования показали, что устройство слежения за солнцем позволяет эффективно использовать установку в течении светового дня, т. е. коэффициент использования энергии солнечного излучения увеличивается в 1,4 раза в зимние месяцы и в 1,9 раза в летние [4]. Выработка электрической энергии производимой этой установкой в течении одного дня при фиксированном и следящем режиме соответственно равны 3,68 Вт-ч и 7,22 Вт-ч. Так как, системы слежения в свою очередь ведет к увеличению потребления электроэнергии на ее привод. В результате эффективность солнечной электростанции для маломощных потребителей существенно снижается. Также следует отметить, что требуемая точность слежения взаимосвязана с типом и конструкцией концентратора. Кроме того, необходимая точность слежения определяется параметрами электрической нагрузки, а также все эти весьма сложные зависимости еще достаточно не исследованы, что не позволяет получать максимальный эффект.
Результаты исследования влияния температуры на энергетические параметры фотоэлектрической солнечной станции показали, что климатические
условия влияет на энергетические параметры фотоэлектрической станции, при этом температура панелей в летнее время нагреваются до температуры 700 C и выше. Полученные данные показали, что КПД солнечной панели в жаркое время в течении года снижается на 8—21 %. Зимой солнечный панель нагревается до температуры 40 при этом КПД фотоэлектрической солнечной станции снижается на 7—8 %, а летом температура поверхности достигает до 700 C при КПД уменьшается на 20—21 % [1].
Наши исследования проводились на фотоэлектрическая солнечная станция на 2 кВт, построенной в Государственном энергетическом институте Туркменистана, которая состоит из 16 фотоэлектрических солнечных панелей на 130 Вт. Фотоэлектрическая солнечная станция, кроме фотопреобразователя -солнечные панели, содержит 8 аккумуляторных батарей на 200 А-ч, контроллер солнечной батареи и инвертор, обеспечивающий преобразование постоянного низковольтного тока от аккумуляторов и фотопреобразователей к бытовому или промышленному стандарту. Проведены исследования влияния климатических условий, т.е. влияние облачной погоды, запыленности воздуха на эксплуатационные параметры фотоэлектрической станции, а также низкие энергетические характеристики солнечного излучения в зимнее время требуют завышенных мощностей преобразователей солнечной энергии, что приводит к их неэффективному использованию в летний период, т.е. летнее время быстро заряжается аккумуляторы и контроллер отключает процесс зарядки аккумулятора. На рисунке 2 показаны влияние различных климатических условий на выработку электрической энергии солнечной станцией.
^ сгеа!ес1 Ьу ^ее уетоп
д РооРгеегег
Рисунок 2. Изменение энергетических параметров фотоэлектрических панелей при различных климатических условиях
А также для сравнения на рисунках 3 и 4 показаны изменение энергетических параметров в зимнее и летнее время при солнечной погоде. Измерение проводились в последовательно соединенных 4 фотоэлектрических панелях при различных нагрузках. Полученные данные показали, что сезонные изменения погоды при солнечной погоде сильно не влияет на энергетические параметры фотоэлектрической станции, хотя температура панелей в летнее время нагреваются до температуры 700 C и выше. Изменение энергетических параметров в течении года составляет порядка 20—25 %. На рисунках 5 и 6 показаны изменения тока и мощности на выходе фотоэлектрических солнечных панелей в разные месяцы при солнечной погоде. Влияние климатических условий можно оценить по графикам, полученные в результате измерений энергетических параметров фотоэлектрической станции в разные дни при различных климатических условиях. Результаты показали, что производимая
энергия фотоэлектрической станций сильно зависит от климатических условий, т. е. выработка энергии составляет соответственно при облачной погоде — 1,895 кВт^ч, при пыльной погоде — 1,289 кВт^ч, при переменной облачной погоде — 2,397 кВт^ч, при состоянии полной зарядки аккумулятора — 1,368 кВт^ч, при солнечной погоде в зимнее время — 2,351 кВт^ч, при солнечной погоде в летнее время — 2,838 кВт^ч,
■ - 17р, В ♦ -Тр,°с
^ -11Ак,В х - Рр, Вт
• -1рЛ
Рисунок 3. Изменение энергетических параметров фотоэлектрических
панелей в зимнее время
9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 1 7,00 г/
■ -иР,в ♦ -тР,°с
^ - Ш9в х . Рр,Вт
• -1рА ♦ -Твои, °с
Рисунок 4. Изменение энергетических параметров фотоэлектрических
панелей в летнее время
^ сгеа!ес1 Ьу ^ее уетоп of
д Роа^геегег
Ip,A
7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 lf '.OO 16.00 17.00 1S.00 f, rj
-- 28.08.2014 г 22.11.2014 г ♦ -08.02.2015 г
22.09.2014Г ж- 11.12.2014 г • - 31.10.2014 г 13.01.2015 г
Рисунок 5. Изменеие тока на выходе фотоэлектрических панелей в разные
времена года
Рр,Вт
500- • 400 300 200 100 О
Рисунок 6. Изменеие мощности на выходе фотоэлектрических панелей в
разные времена года
Результаты исследования и полученные данные могут быть использованы для технико-экономической обосновании эффективности использования солнечной энергии и разработки дорожной карты развития солнечной энергетики в Туркменистане, в частности для определения места для построения фотоэлектрической солнечной станции большой мощности, составления бизнес-модели для этой станции.
Список литературы:
1. Джумаев А.Я., Сарыев К.А. Анализ влияния температуры на энергетические параметры фотоэлектрической солнечной станции. "European Conferece on Innovations in Technical and Natural Sciences". Proceeding of the 7th International scientific conferece. (25th May 2015.). „East West" Association for Advanced Studies on Higher Education. GmbH. Vienna.2015, — p. 82—88.
2. Стребков Д.С., Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б.Д. Развитие солнечной энергетики в Туркменистане. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012. — 496 с.
3. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://wrdc.mgo.rssi.ru/, http://eosweb.lars.nasa.gov/sse/
4. Jumayev A., Sariyev K. Research of the optimum operating mode of photoelectric solar station under the conditions of Turkmenistan. The 9 th International Conference on Electrical and Control Technologies, May 8 —9, 2014, Kaunas, Lithuania. Proceedings of the 9th International Conference on Electrical and Control Technologies ECT-2014, — p. 154—156.
