Метод двухосевого слежения за солнцем для навесных фотоэлектрических станций для сельского хозяйства Текст научной статьи по специальности «Сельскохозяйственные науки»

XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX

XXXXXXX И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ XXXXXXX

4.3.2 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ _И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ_

Научная статья УДК 631.2

DOI: 10.24412/2227-9407-2022-11-33-44

Метод двухосевого слежения за солнцем для навесных фотоэлектрических станций для сельского хозяйства

Александр Григорьевич ВозмиловЛеонид Николаевич Андреев2, Андрей Анатольевич Лисов3, Егор Максимович Коколев4

1 3 4Южно-Уральский государственный университет (НИУ), Челябинск, Россия

2 Государственный аграрный университет Северного Зауралья, Тюмень, Россия

1 vozmiag44@rambler.ru^, https://orcid.org/0000-0002-1292-3975

2 dim-as82@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-8374-0498

3 lisov.andrey2013@yandex.ru

4 egor_kok@mail.ru

Аннотация

Введение. Технологии применения солнечной энергии для агропромышленного комплекса решают широкий спектр задач в сфере сельскохозяйственной деятельности. Могут быть внедрены в любой ее отрасли. Наличие свободных территорий и значительной площади крыш и стен домов и хозяйственных построек позволяет получать и накапливать большие количества бесплатной электроэнергии. В сельском хозяйстве солнечные коллекторы применяются для отопления и горячего водоснабжения жилых и животноводческих объектов; для сушки фруктов, зерна, другой продукции; тепловой обработки грубых кормов.

Материалы и методы. Для проведения предварительных полевых испытаний эффективности работы фотоэлектрических панелей (ФЭП) на географической широте г. Челябинска были собраны системы типа «ФЭП-АКБ». В качестве ФЭП были выбраны панели TPS-936A и TPS-936M, в качестве АКБ выбраны аккумуляторы типа CA-1270. В качестве алгоритма определения положения солнца был выбран NREL SPA (the National Renewable Energy Laboratory of the Department of Energy in the United States Solar Position Algorithm). Результаты и их обсуждение. Указанная конструкция ФЭП позволяет объединить несколько панелей как для синхронного поворота при установке угла возвышения, так и для синхронного поворота при установке азимутального угла всех ФЭП в одном ряду. В качестве исполнительных механизмов предлагается использование линейных актуаторов. Причем для удешевления конструкции также возможна замена линейного актуатора, осуществляющего установку угла возвышения, на крепление с ручным заданием угла наклона, при этом угол можно менять 1 раз в 2-3 месяца на дискретную величину, корректирующую сезонную ориентацию ФЭП. Заключение. Установлено, что эффективность в случае использования двухосной системы слежения даёт прирост мощности 40 %. Также описана конструкция разработанной фотоэлектрической станции (ФЭС), интегрированной в фасад здания.

Ключевые слова: интегрированные в фасады зданий ФЭС, линейный актуатор, система слежения за солнцем, электроснабжение сельского хозяйства

© Возмилов А. Г., Андреев Л. Н., Лисов А. А., Коколев Е. М., 2022

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.

33

Вестник НГИЭИ. 2022. № 11 (138). C. 33-44. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2022. № 11 (138). P. 33-44. ISSN 2227-9407 (Print)

¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^Ё

lyvMlvMIII^ ELEClRlCAL TECHNOLOGIES, ELEC lRlCAL EQUlPMENl

XXXXXXXX and power supply in the agro-industrial complex XXXXXXXX_

Для цитирования: Возмилов А. Г., Андреев Л. Н., Лисов А. А., Коколев Е. М. Метод двухосевого слежения за солнцем для навесных фотоэлектрических станций для сельского хозяйства // Вестник НГИЭИ. 2022. № 11 (138). С. 33-44. DOI: 10.24412/2227-9407-2022-11-33-44

Two-axis solar tracking method for suspended photovoltaic plants for agriculture

Aleksander G. Vozmilov1B, Leonid N. Andreev2, Andrey A. Lisov3, Egor M. Kokolev4

1 3 4 South Ural State University (NRU), Chelyabinsk, Russia

2 State Agrarian University of the Northern Trans-Urals, Tyumen, Russia

1 vozmiag@rambler.ru^ https://orcid.org/0000-0002-1292-3975

2 dim-as82@yandex. ru, https://orcid. org/0000-0002-83 74-0498

3 lisov.andrey2013@yandex.ru

4 egor_kok@mail.ru

Abstract

Introduction. Technologies for the use of solar energy for the agro-industrial complex solve a wide range of tasks in the field of agricultural activity. Can be implemented in any of its branches. The presence of free territories and a significant area of roofs and walls of houses and outbuildings makes it possible to receive and accumulate large amounts of free electricity. In agriculture, solar collectors are used for heating and hot water supply of residential and livestock facilities; for drying fruits, grains, other products; heat treatment of roughage.

Materials and methods. To conduct preliminary field tests of the efficiency of photovoltaic panels (PV) at the geographical latitude of the city of Chelyabinsk, systems of the PV-Batteries type were assembled. Panels TPS-936A and TPS-936M were chosen as solar cells, batteries of the CA-1270 type were chosen as batteries. NREL SPA (the National Renewable Energy Laboratory of the Department of Energy in the United States Solar Position Algorithm) was chosen as the algorithm for determining the position of the sun.

Results and discussion. The specified design of photovoltaic panels allows to combine several panels for both synchronous rotation when setting the elevation angle, and for synchronous rotation when setting the azimuth angle of all solar cells in one row. The use of linear actuators is proposed as actuators. Moreover, to reduce the cost of the design, it is also possible to replace the linear actuator that sets the elevation angle with a mount with manual setting of the angle of inclination, while the angle can be changed once every 2-3 months by a discrete value that corrects the seasonal orientation of the solar cell.

Conclusion. It has been established that the efficiency in the case of using a two-axis tracking system gives a power increase of 40 %. The design of the developed photovoltaic station (PS) integrated into the facade of the building is also described.

Keywords: agricultural power supply, photovoltaic stations integrated into building facades, sun tracking system, linear actuator

For citation: Vozmilov A. G., Andreev L. N., Lisov A. A., Kokolev E. M. Two-axis solar tracking method for suspended photovoltaic plants for agriculture // Bulletin NGIEI. 2022. № 11 (138). P. 33-44. DOI: 10.24412/2227-94072022-11-33-44

Введение

Использование солнечной энергии в различных сферах деятельности человека постоянно расширяется. Бурное развитие данной отрасли началось с середины 2000-х годов и было вызвано, главным образом, политикой развитых стран по снижению их зависимости от углеродного топлива и

стремлением достичь целей по сокращению выбросов парниковых газов. Так, по данным [1], мощность установленных в мире ФЭС увеличилась в 68 раз, с 2,6 (2004 г.) до 177 ГВт (2014 г.).

Анализ научно-технической литературы [2; 3; 4; 5; 6; 7] показывает, что производство электроэнергии с помощью ФЭС является актуальным и

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ X

перспективным направлением. Применение автономных ФЭС позволяет существенно сократить расходы за счет экономии дизельного топлива, а также исключить негативное воздействие на окружающую среду за счет снижения отходов, производимых при использовании различных видов невоз-обновляемых источников энергии [8].

Применительно к сельскому хозяйству солнечная энергетика может быть использована для сушки сена, подогрева воды, создания более эффективных теплиц для обеспечения энергией отдаленных от линий электропередач жилых домов, сооружений и оборудования и т. д. [2] В связи с обязательным использованием мероприятий по энергоснабжению во всех областях роль возобновляемых источников энергии будет возрастать.

Солнечная энергия преобразуется в энергию электрическую с помощью солнечных фотоэлектрических элементов, действие которых основано на явлении фотоэффекта. Солнечные элементы (СЭ), или фотоэлементы, служат для пространственного преобразования зарядов и создания ЭДС в полупроводниковом переходе [4].

Мощность одного солнечного элемента составляет в среднем 0,7-0,75 Вт. Для получения большей мощности СЭ соединяют между собой последовательно. Так образуются солнечные модули (СМ), которые далее могут собираться в солнечную батарею [9].

Выработка электрической энергии солнечной батареи зависит от ряда условий:

- интенсивности солнечного излучения;

- температуры окружающей среды;

- спектральной характеристики источника

света;

- типа фотопреобразователя и т. д.

Вырабатываемая солнечной батареей энергия

прямо зависит от интенсивности солнечного излучения, от угла падения солнечных лучей на плоскость, прозрачности атмосферы и т. д. [10]. Максимальная выработка энергии будет достигнута, если угол падения солнечных лучей на плоскость модуля будет равен 90°. Для повышения эффективности использования солнечных лучей применяют устройства слежения за движением солнца.

По данным [11], эффективность работы фотоэлектрической станции при использовании двухосе-вого слежения за солнцем может вырасти до 40 %. Разработанная нами система представляет собой фотоэлектрическую станцию, интегрированную в

южный фасад здания и использующую систему двухосевого слежения за солнцем для удовлетворения сельскохозяйственных нужд (насосы, электропастух на выпасах, медогонок на пасеке, электроножей и другого оборудования, а также обеспечения электричеством жилых зданий). В данной статье рассмотрены основные направления разработки ФЭС, в том числе представлены результаты предварительных полевых испытаний эффективности работы следящей системы на географической широте г. Челябинск.

Основные направления развития солнечной энергетики:

1. Строительство гигантских солнечных

ферм.

2. Повышение мощности ФЭС:

о повышение КПД ФЭП за счёт использования новых материалов;

о повышение КПД ФЭС за счёт использования:

• систем слежения за солнцем;

• систем слежения за точкой максимальной мощности.

3. Интеграция ФЭС в здания (частные и общественные):

о на придомовой площади (снижение полезной площади);

о интеграция ФЭС в конструкцию здания

• крыши;

• стены;

• окна (прозрачные ФЭП).

Применение солнечной энергии в сельском хозяйстве

Возрастающие потребности сельского хозяйства в энергоресурсах и рост цен на органическое топливо в сочетании с аварийным состоянием электрических сетей и оборудования, а также негативным воздействием традиционных энергетических объектов на окружающую среду вызывает необходимость в поиске альтернативных источников энергии. Одним из путей решения данной задачи является использование в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей солнечной энергии.

Сельское хозяйство - сфера деятельности с долгосрочной окупаемостью, высоким уровнем рисков и тяжелыми условиями труда. К большому количеству стоящих перед организатором фермы или владельцем личного подсобного хозяйства (ЛПХ) задач

I ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND POWER SUPPLY IN THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX

часто добавляется еще одна, связанная со сложностями подачи электроэнергии в сельской местности. Внезапные и длительные ее отключения вне городов обычно связаны с недостаточной мощностью в сети, обрывами линий электропередач (ЛЭП) вследствие погодных явлений. В то же время энергозатраты любого хозяйства чрезвычайно велики.

Пример внедрения инновационных технологий получения солнечной энергии для сельского хозяйства и дешевого электричества в частных домовладениях, успешно осуществляющих перевод на солнечную энергетику, позволяет использовать двухсторонний электросчётчик, сбрасывая лишнюю энергию в городскую электросеть.

Технологии применения солнечной энергии для агропромышленного комплекса решают широкий спектр задач в сфере сельскохозяйственной деятельности. Могут быть внедрены в любой ее отрасли. Наличие свободных территорий и значительной площади крыш и стен домов и хозяйственных построек позволяет получать и накапливать большие количества бесплатной электроэнергии.

Применение устройств для отопления и проветривания в зерно- и овощехранилищах, на складах позволяет обойтись без непрерывного участия обслуживающего персонала в поддержании заданных параметров среды и сохранить урожай, здания и технику наилучшим образом.

В сельском хозяйстве солнечные коллекторы применяются для отопления и горячего водоснабжения жилых и животноводческих объектов; для сушки фруктов, зерна, другой продукции; тепловой обработки грубых кормов [12].

Предварительные полевые испытания Для проведения предварительных полевых испытаний эффективности работы фотоэлектрических панелей (ФЭП) на географической широте г. Челябинск были собраны системы типа «ФЭП-АКБ». В качестве ФЭП были выбраны панели TPS-936A и TPS-936M, в качестве АКБ выбраны аккумуляторы типа СА-1270. Основные характеристики используемых ФЭП представлены в табл. 1. Основные характеристики АКБ представлены в табл. 2.

Таблица 1. Основные характеристики ФЭП

Table 1. The main characteristics of the operation of photovoltaic panels

Модель ФЭП / Model of photovoltaic panels

Параметр / Parameter

Рабочее напряжение, В / Operating voltage, V

Номинальная мощность, Вт / Rated power, W

TPS-936A TPS-936M Источник: составлено авторами

17,5 17,5

13 28

Таблица 2. Основные характеристики АКБ Table 2. The main characteristics of the battery

Модель АКБ / Параметр / Parameter

Battery model Рабочее напряжение, В / Operating voltage, V Емкость, Ач / Capacity, Ah

CA-1270 12 7

Источник: составлено авторами

ФЭП были установлены на открытом участке (в течение дня тени на поверхности ФЭП не падают) садового товарищества рядом с г. Челябинск (55° 14' с.ш., 61° 22' в.д.). На рис. 1 представлена одна из стационарно установленных панелей. Результаты экспериментальных исследований зависимости тока заряда и соответствующей освещенности от времени заряда в течение дня для системы

«ФЭП-АКБ» с различными типами ФЭП представлены на рис. 2.

Также были проведены испытания ориентированных на юг панелей при различных углах наклона панелей к поверхности земли: а) горизонтальное положение (0°); Ь) вертикальное положение (90°); с) под углом 55° (угол наклона, равный географической широте местности, близкий к оптимальному углу [13]).

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ ]

Рис. 1. Экспериментальный стенд для изучения количества вырабатываемой энергии ФЭП в зависимости от ориентации панели Fig. 1. Experimental bench for studying the amount of energy generated by photovoltaic panels depending on the orientation of the panel Источник: разработано авторами в ходе исследования

Также при установке под углом 55° проводились испытания как для стационарной ориентации на юг, так и при одновременном вращении установки вокруг полярной оси со скоростью вращения,

равной 15°/ч (примерно соответствует скорости вращения Земли вокруг полярной оси). На рисунке 3 представлены схемы ориентации ФЭП при различных способах установки.

1,3 1,6 1, 1,2 ' 1 0,8

С

0,6 0,4 0,2

800 800 780 800

700 \720 700 780

610

485 550 1,17 1,25 1,33

430 1,09! 1,22\ 450 4401

0,78 0,9 0,78 0,85 \ \зш / 0,8 0,82 0,8 0,75

t 0,6 0,65 0,7 Г 1 ni К Гч 0,72 . Г/— t 0,72 0,72

0,45 0,51 Г1 1 "H i 0,5 ^ \0,44 Г\ ^ / ! ( Ро,L 6 0,62

r 0,32 п 0,3 ' ^0,26

900

800

700

600

500

400

300 1,65

200

100 О

0,5

1,5

3,5

4,5

5,5

2,5 3 t, Ч

-□ - - ток заряда Ic=f(t) от TPS-936A (13 Вт) -ь- - ток заряда Ic=f(t) от TPS-936M (28 Вт) -о— освещенность Е, лк

Рис. 2. Зависимости тока заряда и освещенности от времени заряда в течение дня для системы «ФЭП-АКБ» Fig. 2. Dependences of the charge current and illumination on the charge time during the day for the system

«photovoltaic panels - batteries» Источник: разработано авторами по результатам экперементальных исследований

« й

4 %

P

й

и to

Cd

Е л s

о и ft Я

5 to

Я О

о •в

ti s

я %

t я о

о Cd р TS

я й

S ft Cd

и Я

Я О я ft

Р о Я

ft О to S я о я 5

Я О w Cd О о

'ТЗ р t р я я t 'ТЗ а

Э и № я

ft о to ft g g

я H !_, я

о Яс я о о H

р

Б и В

я 'ТЗ я о и я о

о ft я

H H % р

ft № У: ft Ts

а я я я №

Л я ft g

ft и to 'ТЗ о о W р я я

Ol H о о

я о и

я g Й о

о о я й

Я в а ft

сГ о я о ft S я

о _] о H я g

1 я о я

Cd

Е о о

я

^

5

н о

л «

о о H №

о и et

щ

ft Я

Я

•в S

о и

„ ft § *

Й to

Cd H О •в о sc

я

о

t

ё t

о я о sc

о H

ё с s s

Cd •в ft S ft

to »

ti s to cd

H О

ti о

H ft

я

^

в ft

и ft я я ft

я

р P ft

►в* о

^ M

о s

(Jj р

Р тз

t s

«

ё

Ol

о

и

ft

ft

в ° g oí 2

s H

о s

S Ъ

Cd S g S

S

s

to

ft S

о 9

я

о и

►H О

2 *

i-í

о s

! i

ц «

о Е

« *

"О w

ft Р

0 о

01 я

H

о л я о о H

s

TS

Si

о о H

s

►в-о

H

ft о

я ft л я

Cd

й ft

H

ОХ о О ' " H Е

(jJ

и ft

s ° à s 13

о Я н 3 ft ft

о

•в р

►в* я л ft о я

я о о •в t я я

3

о о и я

а р

•в

л ft H

я

Е

с

я я

и я

о о

Cd ft

в ft " я 1—1 я

Ä о

ГГТ о H

я

я g о

I ё -ä

£ s

Я Е

я

о

s ^

ft t ft и ft Я »ö О ft

u> ^

и tr H

3

5

о о и я

л

H

о %

в р

<¿¡ s

Рё

я §

•в

й °

И Cd

ti О ft ft Ч ti

Я Р ft

« ® s »

ft р О 1 ' Л to Cd

а

3

5

TS

ё

я р

с я 5

я

о

я

Е

я р

5

J1

я

о

W Cd

о и to ft H

я g

„ ti cd Cd

я &

Ol TS

о p

Ю

ft t ft

•в

я я

E

а я л я №

t I

я я о

Cd

я

•в

to

g

о Яс о о и я ft л я о яс

о

я

g

ё № я о яс

я я

H ft я

о

я

Cd

я о о H

я

о о и я ft л я о яс

TS

ё я

я я

о о и я

с

р

я

о

ft

я

я

й to

я

о

t

о я

я

о

я Е

H

ё я

яс

о\

Е

и

о

о

в ft о H

о ^

и я

с

р

о •в ft

t я

ft H

я ft о я о и tr я о

Я я

Я О

й t

и

? о

о t

s °

Я Cd

я о

Cd

Е t ft

и $

tr

s

о H

о л я я я

TS р

W

►в Hh & %

Я1 s

0 3

H 3 Р

я &

°

р

S Ö-н °

►2 ^ TS ft

1 1 я g

О ft

ъ 2

ft <

<*> S-

^ в-5 &

й s

'ТЗ р

ч Ё

JQ Я Ё

ft g ci I

ft a

о й

tí ft

^ i

^ Ol

сл T3

О №

"-I тз

s s

в." S

a

(J

я я ft 'ТЗ

ft

g

ft я

s

и tr

я №

я

о о и ft t о

Cd

ё я

яс

о сз

ё

TS яс i S О

Р я о ~ 2

И ся Я о H

ëf Ê

s

p s

& я

p p

я

о' ft з и ^ ft

яс

чэ

я

о

о

'ТЗ ft

t

to о о и я ft л

я g

TS

ё

я р

с

я to

я

о

ft о to

с

р

о

^

g g

-ё

я g

о о и я ft л я

s

u>

ft •в et

Я p

и

H ft

v; ft

% 3 ? s ft

«

ft о to я ft w

аз Я

fi о

I 8

to to

я &

•О №

Я "

-в ^

s i

I p

•в ft я я яс

ti и to о •в й

Я

я Р

я *

я to

Я

•в ft

ti о

H p

« е ft я

Е

Я

hj

ft

u> ^

и tr H

s

я

u>

я р

•в я

о

s

о H

0 л я

я «

•в р

W •в

й.

01 о

s

я

о g

H

о

•в

р

я

о

•в ft

U>

а №

H р

о

s

£ ft

о •в

р

ft ! о tr-2 О

В з.

О N

~ о

» а

ÊL о тз я о

о

я

•в я о

я

а ft

я р

я а

ч о

0Q

"d II С Ux

Р

О •в я

w О

я

H

№ я о ft

я

о и о

щ

ft я я ft

о Р

о

I

а "

ft

er ft

s g

(J

я я ft •в

ft

g

ft я

H

№ я №

я

о о и ft

ti о

Cd р

я я

Яс

0Q

CT*

<

ft а

о I

IN

S s

S ^

О £

о

- • ТЗ CT- Я

I

3 а й ►S S

13 Я

о ft р

О ÍT

2 о

3 ся о Я-'

Я1 о'

Я а

а _

И Я

О ь: «

2 а

3 S ft я

ся р

^ §

Ui Ux

ё

•в О

Я

i-I

0

1

О

я

Ux Ut

Я

я

о и to •в я

о

g

Cd •в Р

В ft я я я

о

Y

чэ

я

о

О X ft

О

\гп

я я

е я

i "в

0

1

t>5

I

S

I g

0

1

¡

s s

*

s

Сч n

I

s

fx

s

I

0

1

s

СЧ

n

I

s

fx

fc» «o

8 I

Я

4

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ X

мени одним из наиболее простых способов представляется использование GPS-приемника, который вычисляет географические координаты местоположения и передает точное время по Гринвичу.

По данным [17], одним из наиболее точных алгоритмов определения положения солнца является алгоритм NREL SPA (the National Renewable Energy Laboratory of the Department of Energy in the United States Solar Position Algorithm). Solar Position Algorithm представляет собой код в разработке, подготовленный сотрудниками Alliance for Sustainable Energy, LLC по контракту № DE-AC36-08GO28308 с США. Правительство Соединенных Штатов предоставило себе и другим лицам, действующим от его имени, оплаченную, неисключительную, безотзывную всемирную лицензию на Программное обеспечение для воспроизведения, подготовки производных работ, публичного исполнения и публичного показа. В основе этого алгоритма лежат астрономические принципы движения планет, в том числе принимаются во внимание изменения положения солнца как в течение дня, так и в течение года (рис. 5).

Если точку, из которой производится слежение за положением солнца, обозначить Q и провести вектор от этой точки до солнца на небосклоне, то положение солнца будет определяться вектором S = f(aS, yS) или S = f(@Z, yS), направление которого определяется следующими углами (см. рис. 3): aS - угол возвышения солнца (град); yS - азиму-

тальный угол солнца (град); ©Z = 90° - aS - зенитный угол (град). Алгоритм NREL SPA позволяет определить данные углы в любую секунду времени и для любого местоположения на Земле при помощи следующих уравнений [17; 18; 19]:

Solartime = Standardtime + 4 • - ) + E;

E = 229.2 (0.000075 + 0.001868 • cos B--0.04089 • sin2B);

B = 360•(n-1)/365 ;

8S = 23.45• sin(360•(284 + n)/365) ;

(1) (2)

(3)

(4)

cos 9z =(cos ф- cosSs • cos ra) + (sinф- sinSs) ; (5) ys = sign (ю)-|cos-1 ((cos 6Z - sin ф-sin 5s )/sin 6z - cos ф)| .

(6)

В уравнениях (1)-(6) используются следующие обозначения:

Standardtime - дата и время, для которых производится расчет (мин.);

Solartime - солнечное время (мин.); Z - географическая широта точки Q (мин.); ф - географическая долгота точки Q (град.); E - уравнение времени (мин.); B - дробная часть года (град.); 5s - угол склонения солнца (град.); n - порядковый номер дня в году, для которого производится расчет;

ю - солнечный часовой угол, основанный на солнечном времени (град.).

Рис. 5. Углы, определяющие положение солнца Fig. 5. The angles that determine the position of the sun Источник: разработано авторами

I ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND POWER SUPPLY IN THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX

На основании данных уравнений была построена солнечная диаграмма для географической широты г. Челябинск [20], на которой производи-

лись предварительные испытания ФЭП, на дату начала испытаний: 01.05.2016 г. Результаты представлены на рисунке 6.

е s w

Рис. 6. Солнечная диаграмма на географической широте г. Челябинска на дату 01.05.2016 г. Fig. 6. Solar diagram at the geographical latitude of the city of Chelyabinsk on the date 05.01.2016 Источник: разработано авторами по результатам экперементальных исследований

Конструкция интегрированной в фасад здания ФЭС

Для снижения себестоимости следящей системы предложено использование порядкового расположения ФЭП на южной стене здания с системой жестких шарнирных соединений. Общий вид расположения ФЭП на стене здания представлен на рис. 7.

Указанная конструкция позволяет объединить несколько ФЭП как для синхронного поворота при установке угла возвышения, так и для синхронного

поворота при установке азимутального угла всех ФЭП в одном ряду. В качестве исполнительных механизмов предлагается использование линейных актуаторов. Причем для удешевления конструкции также возможна замена линейного актуатора, осуществляющего установку угла возвышения, на крепление с ручным заданием угла наклона, при этом угол можно менять 1 раз в 2-3 месяца на дискретную величину, корректирующую сезонную ориентацию ФЭП [11].

Рис. 7. Общий вид расположения ФЭП на стене здания Fig. 7. General view of the location of the FEP on the wall of the building Источник: разработано авторами по результатам исследований

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ X

Заключение

Технологии применения солнечной энергии для агропромышленного комплекса решают широкий спектр задач в сфере сельскохозяйственной деятельности. Могут быть внедрены в любой ее отрасли. Наличие свободных территорий и значительной площади крыш и стен домов и хозяйственных построек позволяет получать и накапливать большие количества бесплатной электроэнергии.

В результате работы были получены обоснования эффективности применения системы слежения за положением солнца на географической широте г. Челябинск. В случае использования двухосной системы слежения ожидаемый прирост мощности составит 40 %.

В статье приведен один из самых точных алгоритмов слежения за положением солнца - NREL SPA, который был выбран в качестве основного для

определения углов положения солнца на небосклоне в разрабатываемой системе.

На основании уравнений алгоритма слежения была получена диаграмма положения солнца для географической широты г. Челябинск.

Конструкция, разрабатываемой ФЭС, интегрирована в фасад здания. Была приведена схема шарнирных соединений и расположения исполнительных механизмов ФЭС. Предлагаемая конструкция позволяет снизить себестоимость системы слежения за счет уменьшения числа исполнительных

механизмов при увеличении мощности ФЭС на 40 %.

В дальнейшем предполагается выполнить детальный расчет конструктивных элементов системы, а также выбор конкретных исполнительных механизмов на основании расчета масса-габаритных характеристик конструкции.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Возмилов А. Г., Малюгин С. А., Малюгина А. А., Смирнов А. А. Аналитический обзор фотоэлектрических станций и элементов их конструкции // Технические науки - от теории к практике. г. Санкт-Петербург. СПб. : Научный журнал «Globus». 2015. С. 33-41.

2. Возмилов А. Г., Малюгин С. А., Малюгина А. А., Смирнов А. А. Повышение эффективности использования солнечной энергии в автономных системах энергоснабжения сельского хозяйства // Вестник ЧГАА. 2014. Т. 69. С. 10-13.

3. Hunter F. A., Dougherty B. P., Davis M. W. Measured performance of building integrated photovoltaic panels // Solar energy: the power to choose, Forum. Washington, DC, 2001.

4. Meah K., Ula S., Barrett S. Solar photovoltaic water pumping-opportunities and challenges // Renewable and Sustainable Energy Reviews. May 2008. V. 12, Is. 4. P. 1162-1175.

5. Черненко А. Н., Крюков П. В. Энергосбережение и малая солнечная энергетика для многоквартирного дома в условиях РФ // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 1-1. С. 289.

6. Исаков Д. А. Солнечная энергетика. Основные виды солнечной энергетики // Научные исследования и разработки в эпоху глобализации. 2016. Т. 3. С. 82-86.

7. Усков А. Е., Гиркин А. С., Дауров А. В. Солнечная энергетика: состояние и перспективы // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2014. № 98. С.364-380.

8. Smirnov A. A., Vozmilov A. G., Sultonov O. O. Investigating the Effectiveness of Solar Tracking for PV Facility in Chelyabinsk // International Russian Automation Conference. Springer, Cham, 2019. P. 501-508.

9. Соломин Е. В., Бабкин Д. В., Устименко В. В., Соколов А. В., Бабаев Р. М. О., Сомов А. А., Тележин-ский Н. В. Оценка целесообразности использования солнечных модулей для питания осветительной нагрузки детских и спортивных площадок в спальных районах города // Приоритетные направления инновационной деятельности в промышленности. Казань. 2021. С. 76-78.

10. Соломин Е. В., Набеев В. В., Соколов А. В., Устименко В. В., Сомов А. А., Тележинский Н. В., Бабаев Р. М. О. Сравнение отечественных и зарубежных солнечных панелей для бытового пользования // Приоритетные направления инновационной деятельности в промышленности. Казань. 2021. С. 85-87.

11. Китаева М. В., Юрченко А. В., Скороходов А. В., Охорзина А. В. Системы слежения за солнцем // Вестник науки Сибири. 2012. № 3 (4). С. 61-67.

12. Панченко В. А., Филиппченкова Н. С. Теплофотоэлектрические бесконцентраторные солнечные модули (гибридные солнечные коллекторы) // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 5 (15). С. 128-133.

41

Вестник НГИЭИ. 2022. № 11 (138). C. 33-44. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2022. № 11 (138). P. 33-44. ISSN 2227-9407 (Print)

¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тргнмп!nizirs fi ргтшгл! рпшрмрмт^^^^^^^^^Ё

ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT

XXXXXXXX and power supply in the agro-industrial complex XXXXXXXX_

13. Breyer Ch., Schmid J. Global distribution of optimal tilt angles for fixed tilted PV systems // 25th European Pho-tovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. 5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (Valencia, Spain, 6-10 September 2010). Valencia, 2010. P. 4715-4721.

14. Yurchenko A. V., Kozlov A. V. The long-term prediction of silicon solar batteries functioning for any geographical condi-tions // Proceedings of XXII European PV Solar Energy Conference and Exhibition. Milan, 3-7 September 2007. P.3019-3022.

15. Pujari S., Behera P., Yadav D. Helianthus - smart solar panel // International Journal of Communication Network Security. 2013. Vol. 2. Is. 4. P. 95-98.

16. Fathabadi H. Comparative study between two novel sensor-less and sensor based dual-axis solar trackers // Solar Energy. 2016. V. 138. P. 67-76.

17. Prinsloo G. J., Dobson R. T. Solar Tracking. Stellenbosch: SolarBooks, 2015. 542 p.

18. Xiaosheng T., Chenghui G. A method for calculating solar angles and its application on remote sensing // Remote Sensing for Land & Resources. 1995. Т. 7. №. 2. P. 48-57.

19. Reda I., Andreas A. Solar position algorithm for solar radiation applications // Solar energy. 2004. Т. 76. № 5. P.577-589.

20. Smirnov A. A., Vozmilov A. G., Romanov P. A. Comparison of discrete sun tracking methods for photovoltaic panels // 2019 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). IEEE. 2019. P. 1-5.

Статья поступила в редакцию 23.08.2022; одобрена после рецензирования 19.09.2022;

принята к публикации 21.09.2022.

Информация об авторах: А. Г. Возмилов - д.т.н., профессор, Spin-код: 2893-8730; Л. Н. Андреев - к.т.н., доцент, Spin-код: 1956-6805; А. А. Лисов - магистр, аспирант, Spin-код: 1956-3662; Е. Г. Коколев - бакалавр, магистрант.

Заявленный вклад авторов: Возмилов А. Г. - общее руководство проектом, анализ и дополнение текста статьи. Андреев Л. Н. - проведение критического анализа материалов, доработка текста статьи. Панишев С. А. - сбор и обработка материалов, работа над текстом статьи. Коколев Е. М. - сбор и обработка материалов, участие в обсуждении материалов статьи.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

REFERENCES

1. Vozmilov A. G., Malyugin S. A., Malyugina A. A.., Smirnov A. A. Analiticheskij obzor fotoelek-tricheskih stancij i elementov ih konstrukcii [Analytical review of photovoltaic plants and their structural elements], Tekhniches-kie nauki - ot teorii k praktike [Technical sciences - from theory to practice], Sankt-Peterbursg: Nauchnyj zhurnal «Globus». 2015. pp. 33-41.

2. Vozmilov A. G., Malyugin S. A., Malyugina A. A., Smirnov A. A. Povyshenie effektivnosti is-pol'zovaniya solnechnoj energii v avtonomnyh sistemah energosnabzheniya sel'skogo hozyaj stva [Increasing the efficiency of solar energy use in autonomous power supply systems for agriculture], Vestnik CHGAA [Bulletin CHGAA], 2014, Vol. 69, pp.10-13.

3. Hunter F. A., Dougherty B. P., Davis M. W. Measured performance of building integrated photovoltaic panels, Solar energy: the power to choose, Forum. Washington, DC, 2001.

4. Meah K., Ula S., Barrett S. Solar photovoltaic water pumping-opportunities and challenges, Renewable and Sustainable Energy Reviews, May 2008, Vol. 12, Is. 4, pp. 1162-1175.

XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX

XXXXXXX И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ XXXXXXX

5. Chernenko A. N., Kryukov P. V. Energosberezhenie i malaya solnechnaya energetika dlya mnogokvar-tirnogo doma v usloviyah RF [Energy saving and small solar energy for an apartment building in the Russian Federation], Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya [Modern problems of science and education], 2015, No. 1-1, pp. 289.

6. Isakov D.A. Solnechnaya energetika. Osnovnye vidy solnechnoj energetiki [Solar energy. The main types of solar energy], Nauchnye issledovaniya i razrabotki v epohu globalizacii [Scientific research and development in the era of globalization], 2016, Vol. 3, pp. 82-86.

7. Uskov A. E., Girkin A. S., Daurov A. V. Solnechnaya energetika: sostoyanie i perspektivy [Solar energy: state and prospects], Politematicheskij setevoj elektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrar-nogo universiteta [Political network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University], 2014, No. 98, pp. 364-380.

8. Smirnov A. A., Vozmilov A. G., Sultonov O. O. Investigating the Effectiveness of Solar Tracking for PV Facility in Chelyabinsk, International Russian Automation Conference, Springer, Cham, 2019, pp. 501-508.

9. Solomin E. V., Babkin D. V., Ustimenko V. V., Sokolov A. V., Babaev R. M. O., Somov A. A., Telezhin-skij N. V. Ocenka celesoobraznosti ispol'zovaniya solnechnyh modulej dlya pitaniya osvetitel'noj nagruzki detskih i sportivnyh ploshchadok v spal'nyh rajonah goroda [Assessment of the feasibility of using solar modules to power the lighting load of children's and sports grounds in residential areas of the city], Prioritetnye napravleniya innovacionnoj deyatel'nosti v promyshlennosti [Priority directions of innovation activity in industry], Kazan'. 2021, pp. 76-78.

10. Solomin E. V., Nabeev V. V., Sokolov A. V., Ustimenko V. V., Somov A. A., Telezhinskij N. V., Babaev R. M. O. Sravnenie otechestvennyh i zarubezhnyh solnechnyh panelej dlya bytovogo pol'zovaniya [Comparison of domestic and foreign solar panels for residential use], Prioritetnye napravleniya innovacionnoj deyatel'nosti v promyshlennosti [Priority directions of innovation activity in industry], Kazan'. 2021, pp. 85-87.

11. Kitaeva M. V., Yurchenko A. V., Skorohodov A. V., Ohorzina A. V. Sistemy slezheniya za solncem [Sun Tracking Systems], Vestnik nauki Sibiri [Bulletin of Siberian Science], 2012, No. 3 (4), pp. 61-67.

12. Panchenko V.A., Filippchenkova N.S. Teplofotoelektricheskie beskoncentratornye solnechnye moduli (gi-bridnye solnechnye kollektory) [Thermal photovoltaic concentratorless solar modules (hybrid solar collectors)], Inno-vacii v sel'skom hozyajstve [Innovations in agriculture], 2015, No. 5 (15), pp. 128-133.

13. Breyer Ch., Schmid J. Global distribution of optimal tilt angles for fixed tilted PV systems, 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. 5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (Valencia, Spain, 6-10 September 2010). Valencia, 2010, pp. 4715-4721.

14. Yurchenko A. V., Kozlov A. V. The long-term prediction of silicon solar batteries functioning for any geographical conditions, Proceedings of XXII European PV Solar Energy Conference and Exhibition, Milan, 3-7 September 2007,pp.3019-3022.

15. Pujari S., Behera P., Yadav D. Helianthus - smart solar panel, International Journal of Communication Network Security, 2013, Vol. 2, Is. 4, pp. 95-98.

16. Fathabadi H. Comparative study between two novel sensor-less and sensor based dual-axis solar trackers, Solar Energy, 2016, Vol. 138, pp. 67-76.

17. Prinsloo G. J., Dobson R. T. Solar Tracking. Stellenbosch: SolarBooks, 2015. 542 p.

18. Xiaosheng T., Chenghui G. A method for calculating solar angles and its application on remote sensing, Remote Sensing for Land & Resources, 1995, Vol. 7, No. 2, pp. 48-57.

19. Reda I., Andreas A. Solar position algorithm for solar radiation applications, Solar energy, 2004, Vol. 76, No. 5, pp. 577-589.

20. Smirnov A. A., Vozmilov A. G., Romanov P. A. Comparison of discrete sun tracking methods for photovoltaic panels, 2019 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICI-EAM). IEEE, 2019, pp. 1-5.

The article was submitted 23.08.2022; approved after reviewing 19.09.2022; accepted for publication 21.09.2022.

Вестник НГИЭИ. 2022. № 11 (138). C. 33-44. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2022. № 11 (138). P. 33-44. ISSN 2227-9407 (Print)

¥¥¥¥¥¥¥¥¥ г/rrTPfr/if тггнмтnízirs FI РГТШГД! рпшрмрмт^^^^^^^^^Ё

lyvMIvMIII^ ELE CM KM CAL TECHNOLOGIES, ELECMKMCAL EQUIPMENT

XXXXXXXX AND POWER SUPPLY IN THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX XXXXXXXX

Information about the authors: A. G. Vozmilov - Dr. Sci. (Engineering), associate professor, Spin-code: 2893-8730; L. N. Andreev - Ph. D. (Engineering), assistant professor, Spin-code: 1956-6805; A. A. Lisov - master, post-graduate student, Spin-code: 1956-3662; E. G. Kokolev - bachelor, master student.

Contribution of the authors: Vozmilov A. G. - general project management, justification of parameters, formulation of the conclusion. Andreev L. N. - conducting a critical analysis of materials, finalizing the text of the article. Lisov A.A. - collection and processing of materials, work on the text of the article.

Kokolev E.G. - collection and processing of materials, participation in the discussion of the materials of the article.

The authors declare no conflicts of interests