CC BY
89
Технические науки
УДК 621.383; 621.472(575.4)
ИССЛЕДОВАНИЯ МОБИЛЬНОЙ СОЛНЕЧНОЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ В
ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОРИЕНТАЦИИ12
А.М. Пенджиев, Туркменский государственный архитектурно-строительный институт (Ашхабад, Туркменистан).
Н.Г. Астанов, Атамурадский районный отдел народного образования
Лебапского велаята Министерства образования Туркменистана (Атамуратский
етрап, Туркменистан).
Аннотация. В статье приводится 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.
Введение. В своем обращений Президента Туркменистана Гурбангулы Бердвмухамедова 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 эффективности и обеспечения наибольшего прихода солнечной радиации на рабочую поверхность существуют рекомендации по ориентации наземных стационарных солнечных установок (ОУ) в зависимости от широты местности и времени года. Эффективность использования СУ можно повысить и применением систем слежения за Солнцем, которые позволяют увеличить выходную мощность ФЭП и дневной интервал генерирования электрической энергии. Существуют системы слежения за Солнцем с частичной (азимутальной) или полной (азимутальной и зенитальной) ориентацией [10-12].
Целесообразность их использования в СУ должно обосновываться проведением необходимых исследований и расчетов.
Исследования математической модели. Наиболее эффективным методом исследования СУ является имитационное моделирование, позволяющее по сравнению с натурными экспериментами учесть влияние на энергетические характеристики СУ
12 Рецензент: П.А. Назаров, доктор технических наук, профессор Туркменского государственного архитектурно-строительного института (Ашхабад, Туркменистан).
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 р-п переходом [11]:
где U - напряжение, В; k - постоянная Больцмана; T - рабочая температура ФЭП, К; q -заряд электрона; Jф - фототок, пропорциональный интенсивности солнечного излучения I, падающего на поверхность ФЭП , ^ф/I = 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/см2; R - 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 вольт-амперных характеристик (ВАХ) и ватт-амперная характеристика (ВВХ), для модуля ФЭП состоящего из параллельно соединенных блоков при стандартных условиях освещения АМ1 Io =1000 Вт/м2 и рабочей температуре. Фотоэлементы из монокристаллического кремния имеют следующие характеристики: Jo^ =2,74 А/м2; Uxx =22В; R=1Ом■см2; площадь S=0,3792 м2. Фотоэлектрический модуль, по паспортным данным, выдает максимальную мощность Р max=49,4 Вт, Uxx =20.6 В, !кз =2,4 А, оптимальное рабочее напряжение Цопт=16,3 В и ток J опт =2, 75А мощность Р опт = 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]:
где Зокз и Похх - исходный ток короткого замыкания и напряжение холостого хода, измеренные при стандартных условиях освещения АМ1( 1о =1000 Вт/м2) и рабочей температуре (Т = 25°С 0 ); ^ , Аип, АП12 - поправки, учитывающие изменение плотности потока солнечного излучения; № Т, АП Т - поправки, учитывающие изменение рабочей температуры:
где Кц- последовательное сопротивление элемента; к - коэффициент, зависящий от типа солнечного элемента, 0.5^ к >1.5 [2]; , Р|, во- 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 1П , 1д, - 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].
еов0 = Бт5 Бтф + соб5 ООБФ СОБЮ. (10)
СОБ£ = Бт(ф -р ) Бт5 + 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]:
где 18о1аг- локальное солнечное время в часах.
Расчет суммарной интенсивности солнечного излучения на приемник, расположенный под углом рои ориентирующийся на Солнце только по одной координате (азимутальное слежение) производился по формуле (9), с разницей в нахождении угла между направлением на Солнце и нормалью (вместо £ используется / ). Данный угол определялся по формуле [8-11]:
где ап - азимут приемника.
При слежении за Солнцем по азимуту, азимут приемника равен азимуту Солнца (ап =а) и определялся по формуле [6-11]:
где а - угол высоты Солнца, определялся по формуле: а = агсБтфпб Бтф + соб5 соБф соБю)^а = агсвт(сов0 ). (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 на основе математической модели вольт-амперной характеристики (ВАХ) и ватт-амперная характеристика (ВВХ) ФЭП:
а - ВАХ
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Сила ток (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
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 станци проведены 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 на таблице 1 и рис. 2.
Таблица 1 теоретических расчетов фотоэлектрического модуля и
экспериментальные исследования со сл< жжением и без нее.
Энергетические параметры Теоретические расчеты Со слежением Без слежения
R -Солнечная радиация Вт/ кв.м 1094,891 912,4088 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 = 10,022x + 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;
3,5 3 к
- 2,5 | < 1-
s 2 < о а 1,5
е; и (J -1 1
0,5 0
0 5 10 15 20 25
Напряжения (В)
I (А) без слежения I (А) со слежением I (А) теретический
а - ВАХ
Сила тока (А)
Р(Вт) со слежением Р(Вт) без слежения Р (Вт) Теоретический
б - ВВХ
Рис. 2. Характеристики модуля ФЭП при теоретических расчетах, без слежения стандартной с азимутальным ориентацией на Юг под углом к горизонту 60°, со слежением за солнцем: а - ВАХ 18 мая в 10 часов; б - ВВХ
Результаты компьютерного моделирования и их обсуждение. Результаты моделирования работы модуля ФЭП, характеристики которого приведены выше, для климатических условий юго-восточных районов Туркменистана (DD= 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 для круглогодичного периода позволит дать оценку о целесообразности применения систем автоматизированного слежения в СУ с ФЭП.
Выводы. Математическая модель позволяет оценить влияние на выходные 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 Jo к.з., Uo хх, 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.
Литература:
1. Бердымухамедов Г.М. Государственное регулирование социально-экономического развития Туркменистана. Том 1. А.: Туркменская государственная издательская служба, 2010.
2. Пенжиев 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. ISBN: 978-3-8433-9325-6
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 // Альтернативная энергетика и экология. 2011. № 12 (104). 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 // Альтернативная энергетика и экология». 2009. №10 (78). 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.
^ Pendzhiev A.M., Astanov N.G. Issledovanija mobil'noj solnechnoj fotojelektricheskoj
stancii v zavisimosti ot orientacii II Nauka. Mysl'. - 2016. - № 6-2.
© А.М. Пенджиев, 2016.
© Н.Г. Астанов, 2016.
© «Наука. Мысль», 2016.
— • —
Abstract. The authors show results of calculations of mathematical model (theoretical) experimental researches of the volt-ampere and watt-ampere characteristic of operating modes of 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, photo-electric converter, mathematical model, systems of
tracking the Sun, volt- and watt-ampere characteristics, Turkmenistan.
— • —
Сведения об авторах
Ахмет Мырадович Пенджиев, кандидат технических, доктор сельскохозяйственных наук, академик МАНЭБ, член-корр. РАЕ доцент Туркменский государственный архитектурно-строительный институт (Ашхабат, Туркменистан).
Непес Гурдмырадович Астанов, специалист Атамурадского районного отдела народного образования Лебапского велаята Министерства образования Туркменистана (Атамуратский етрап, Туркменистан).
— • —
Подписано в печать 20.05.2016.
© Наука. Мысль, 2016
