МЕТОДИКА ВЫБОРА ОБОРУДОВАНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ СТАНЦИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ УДАЛЕННЫХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Научная статья/ АгИе1в

УДК 620.92; 620.97; 620.4 https://doi.org/10.34130/2306-6229-2023-2-70

Методика выбора оборудования фотоэлектрических солнечных станций, используемых для энергоснабжения удаленных

населенных пунктов

Джумаев Аганияз Ягшиевич

Государственный энергетический институт Туркменистана, г. Мары, Туркменистан, 745400, ул. Байрамхан 62, a.jumayev.tm@gmail.com, http://orcid.org/0000-0002-2297-1989

Аннотация. Мы понимаем, что крупномасштабные солнечные фотоэлектрические системы являются принципиально новыми для Туркменистана. Поэтому было бы полезно дать подробное описание этих систем. В качестве солнечной технологии используется фотоэлектричество. Фотоэлектрические системы используют солнечные модули, каждый из которых состоит из нескольких солнечных элементов, вырабатывающих электроэнергию.

Ключевые слова: ресурсы солнечной энергии, фотоэлектрическая солнечная станция, годовая выработка электроэнергии, валовый потенциал солнечной энергии

Для цитирования: Джумаев А. Я. Методика выбора оборудования фотоэлектрических солнечных станций для энергоснабжения удаленных населенных пунктов // Вестник Сыктывкарского университета. Серия 2. Биология, геология, химия, экология. 2023. № 2 (26). С. 70-78. https://doi.org/10.34130/2306-6229-2023-2-70

Method of selection of equipment of photovoltaic solar stations used for power supply in remote settlements

Aganiyaz Ya. Jumayev

State Energy Institute of Turkmenistan, Mary city, Turkmenistan, 745400, Bayramhan str., 62, a.jumayev.tm@gmail.com, http:// orcid.org/0000-0002-2297-1989

Abstract. We understand large scale solar photovoltaic systems are, essentially new to Turkmenistan. We have, therefore thought that it would be useful to provide a detailed description of these systems. The solar technology to use is photovoltaic (PV). Photovoltaic systems employ solar modules, each comprising a number of solar cells, which generate electrical power.

Keywords: solar energy resources, photovoltaic solar station, annual electricity generation, gross potential solar energy

For citation: Jumayev A. Y. Method of selection of equipment photovoltaic solar statios used for power supply in remote settlements. VestnikSyktyvkarskogo universiteta. Seriya 2. Biologiya, geologiya, himiya, ekologiya = Syktyvkar University Bulletin. Series 2. Biology, geology, chemistry, ecology, 2023. 2(26): 70-78. (In Russ.) https://doi.org/10.34130/2306-6229-2023-2-70

Введение. Электроэнергетический сектор Туркменистана в большей части добился значительных успехов в сокрашении выбросов CO2, в основном за счет внедрения новых технологий и модернизации действующих газотурбинных электростанций, а также в дальнейшем за счет использования возобновляемых источников энергии, таких как сол-

нечная энергия и энергия ветра. В настоящее время внимание отрасли газовых турбин направлено на ускорение разработки технологий и демонстрацию «готовности к водороду» или способности сжигать водород в качестве безуглеродного топлива, заменяющего природный газ, при сохранении низкого уровня выбросов CO2.

В статье рассматривается значение «Национальной стратегии по развитию возобновляемой энергетики в Туркменистане до 2030 года» для достижения Целей устойчивого развития (ЦУР). Цели Национальной стратегии Туркменистана по развитию возобновляемой энергетики:

1. Диверсификация топливно-энергетических ресурсов.

2. Увеличение экспортного потенциала природного газа и электрической энергии.

3. Обеспечение удаленных регионов недорогостоящей и чистой энергией.

4. Повышение уровня жизни населения и развития промышленности.

5. Достижение целей устойчивого развития и Парижского соглашения по климату.

Методы исследования, теоретическая база. Для проектирования фотоэлектрических солнечных станций (ФСС) широко используется пакет программ PVsyst [1]. PVsyst имеет широкую базу данных для солнечных модулей с различной номинальной мощностью, технологией, размерами и производителями. Совпадение выходных параметров солнечных модулей и входного инвертора обеспечивает максимальную мощность ФСС для всех условий окружающей среды в месте расположения. В правильно сконструированной системе рабочие напряжение, ток и выходная мощность ФСС должны находиться внутри рабочего диапазона инвертора. В результате при проектировании ФСС должны выполняться следующие условия:

1) Согласование мощности постоянного и переменного тока.

Соотношение между номинальной мощности ФСС при стандартных условиях испытания (STC) и номинальной мощностью инвертора называется Ротн и определяется следующим образом [2]:

где РФСС - номинальная мощность ФСС при STC, Вт и Рн - выходная номинальная мощность инвертора, Вт. Если Ротн = 1, то мощность постоянного тока, т. е. мощность ФСС, и мощность переменного тока, т. е. мощность инвертора, совпадает по величине (size matching), если Ротн < 1, то инвертор является сверх размерным (oversized), если Ротн> 1, то инвертор - низко размерный (undersized), Ри - это мощность, которую инвертор может непрерывно подавать в сеть без отключения при температуре 250C [3]. Номинальная мощность инвертора может находиться в пределах ±20 % от мощности ФСС при STC в зависимости от технологии инвертора и модуля, а также условий окружающей среды [3]. В результате для оптимальной работы принят следующий диапазон мощности инвертора:

- —i.::^'- 1 (2)

2) Совпадение напряжения (Voltage sizing).

Солнечная радиация и температура поверхности солнечного модуля влияют на вольтам-перную характеристику солнечной панели и оптимальной рабочей точки. В свою очередь, температура влияет на напряжение на выходе солнечного модуля, а солнечная радиация - на выработку тока ФСС. Напряжение на выходе солнечного модуля увеличивается при низких температурах и уменьшается при высоких. В результате рабочий диапазон преобразователя напряжения, т. е. инвертора, должен быть согласован с вольтамперной характеристикой сол-

нечной панели. Таким образом, точки максимальной выработки энергии ФСС, т. е. максимальная мощность ФСС, должны находиться в пределах диапазона напряжений в точках максимальной мощности инвертора (MPP voltage range of inverter). Напряжение на выходе ФСС зависят от температуры, поэтому при определении параметров системы рассматриваются крайние случаи зимней и летней эксплуатации [2]. При определении параметров ФСС должны выполняться следующие требования проектирования [1; 3]:

• Минимальное и максимальное рабочее напряжение на выходе ФСС должны находиться в рамках диапазона напряжения в точке максимальной мощности (ТММ) инвертора, в которой он может нормально функционировать.

• Абсолютное максимальное напряжение ФСС должно оставаться ниже абсолютного максимального входного напряжения инвертора и максимального напряжения системы, определенного для выбранного солнечной панели.

• Максимальное и минимальное количество солнечных панелей в ряде (string) может быть рассчитано на основе этих требований проектирования. Максимальное количество солнечных панелей в ряде Мцак задается формулой [2]:

(3)

где Е/имак - максимальное входное напряжение постоянного тока инвертора, В; а Уфсс.мак - абсолютное максимальное напряжение ФСС, т. е. напряжение холостого хода при самой низкой рабочей температуре поверхности солнечной панели, В.

Минимальное количество солнечных панелей в ряде задается формулой [2]:

"и тмм 1Т1! л

^miri

°ФССТММтт '

(4)

где [7И тмм min - минимальное напряжение инвертора в ТММ, В; t/фсс 7мм min ~ мини мальное напряжение солнечной панели в ТММ, В.

Абсолютное максимальное напряжение солнечной панели рассчитывается по формуле [2]:

Ut

ФСС как

= и.

xxSTC

+

100%

' (ТфССраб

■ ФСС STC

, (5)

где UxkSTC - напряжение холостого хода солнечной панели при работе в условиях STC, В; кн - температурный коэффициент напряжения солнечной панели, %/°С; Тфсс^гс ~ температура солнечной панели при STC, °С; Тфссраб ~ рабочая температура поверхности солнечной панели, °С. Это уравнение также может быть использовано для нахождения максимального и минимального рабочего напряжения ФСС в ТММ путем замены U^тс на

Рабочая температура поверхности солнечной панели Тфссраб рассчитана при использовании номинальной рабочей температуры солнечной панели (Normal Operation Cell Temperature NOCT) по формуле [4]:

Б

(6)

ТфСС раб — W (Тном - 20°С)

enoct

- номинальная рабочая температура

где Т0Кр - температура окружающей среды, °С; Гном солнечной панели, °С; Е - интенсивность солнечной радиации, Вт/м2; Е^ост - интенсив

ность солнечной радиации при ЫОСТ, которая составляет 800 Вт/м2. Уравнение (6) предполагает линейную зависимость между Е и разницей (ТфСС ра6 — Т^кр)-3) Совпадение тока.

Максимальный ток ФСС не должен превышать максимальный входной ток инвертора [2]. Максимальное число рядов в ФСС, Ирид- определяется максимальным входным током и может быть вычислено по формуле:

^ ^ ^ряд мак

где /к нак - максимальный входной ток инвертора, А; /ряд нак - максимальный ток ряда, А. Обычно максимальным током ряда является ток короткого замыкания при STC [3].

Для строительства ФСС мощностью 900 кВт в деревне Кирпили Бахерденского этрапа Ахалского велаята были выбраны нижеописываемые компоненты системы для базового блока (количество домов 177).

Фотоэлектрические солнечные модули выбраны из базы данных PVsyst и для проекта приняты таковые типа SPR-415-WHT-D от производителя Sunpower. Технические характеристики модуля приведены в табл. 1.

Таблица 1

Технические характеристики солнечного модуля SPR-415-WHT-D

1 Модель SPR-415-WHT-D

2 Технология Mono-c-Si

3 1ч. 128 ФЭ

4 ^ 85.3 В

5 Л. 6.09 А

6 72.9 В

7 'ми 5.69 А

8 Максимальная мощность при STC Р.... = ... U.... 415 Вт

9 Допустимое отклонение мощности (%) ±5%

10 К„ -0.32%/0C

11 К.т 0.057%/0C

12 КПД 19.25%

13 NOCT (Nominal Operation Cell Temperature) 45.8 0C

14 /ф 6.0978 А

15 lo 7.1712« 1С""1 А

16 A 0.87223

17 419.7813 Ом

18 0.5371 Ом

19 Длина модуля 2067 мм

20 Ширина модуля 1046 мм

21 Площадь модуля 2.16 м2

Центральным трехфазным инвертором, выбранным из базы данных PVsyst, является Bosch BPT-C300 производства Bosch Power Tec. Технические характеристики инвертора приведены в табл. 2.

Технические характеристики инвертора Bosch BPT-C300

1 Номинальная мощность переменного тока 300 кВт

2 Номинальное напряжение переменного тока 300 В

3 Минимальное значение напряжения диапазона MPPT 530 В

4 Максимальное значение напряжения диапазона MPPT 800 В

5 Входное максимальное напряжение 1000 В

6 Частота 50 Гц

7 EURO КПД 98.5%

8 Максимальный входной ток инвертора 590 А

С учетом предыдущих условий и критериев были рассчитаны следующие параметры выбранных комплектов ФСС.

Абсолютное максимальное напряжение i/фсс.мак рассчитано по формуле (5) при самой низкой рабочей температуре поверхности модуля, которая рассматривается как самая низкая зарегистрированная температура окружающей среды в месте строительства ФСС. Для села Кирпили эта температура составляет -10°С. Таким образом, Уфсс.мак = 94.85 В.

Максимальное количество модулей в ряде ?1рЛД вычисляется по формуле (3). Таким образом, ?1рдД = 10.5.

U.f------рассчитано по формуле (5) при минимальной зимней рабочей температуре поверхности модуля. Зимняя минимальная рабочая температура была найдена по формуле (6) при плотности излучения Е= 0 Вт/м2 и средней минимальной зимней температуре окружающей среды села Кирпили за 10 лет Гокр = 5° С. Таким образом, зимняя

минимальная рабочая температура поверхности модуля составляет 5° С и

^ФССТММмак = 77.6 В-

рассчитано по формуле (5) при летней максимальной рабочей температуре поверхности модуля. Летняя максимальная рабочая температура была найдена по формуле (6) при плотности излучения Е = 1200 Вт/м2 и средней максимальной летней температуре окружающей среды села Кирпили за 10 лет Такр = 30°С. Таким образом,

летняя максимальная рабочая температура поверхности модуля составляет 70° С и

^фсстмммин = 62.4 Б.

Минимальное количество модулей в ряде llmin вычисляется по формуле (4). Таким образом, в результате расчетов получим llmirl = 8.5.

Максимальное количество рядов в ФСС ?1рЛД вычисляется по формуле (7). Таким образом, в результате расчетов получим ?1рЛД < 97.

Расчет и оптимизация выполнены с использованием программы PVsyst, так как в этом ПК имеется встроенный модуль, который позволяет оптимизировать количество модулей в каждом ряде, и по количеству рядов на основе выбранных компонентов.

На основе расчетов основного базового блока ФСС мощностью 300 кВт последний должен обладать характеристиками, которые представлены в табл. 3.

Основные характеристики основного базового блока ФСС 300 кВт

1 Мощность ФСС 300 кВт

2 Мощность фотоэлектрического модуля 415 Вт

3 Количество фотоэлектрических модулей 720

4 Количество фотоэлектрических модулей, соединенных последовательно в ряде 10

5 Количество рядов 72

6 Площадь фотоэлектрических модулей 1557 м2

7 Количество инверторов 1

8 Ротн 1

Результаты и обсуждение. Использование автономной ФСС в системе электроснабжения удаленных населенных пунктов в режиме многолетней непрерывной работы предполагает отсутствие периодической подзарядки АБ от внешного источника. В этом случае фотоэлектрический преобразователь - единственный источник энергии в системе, который при минимуме ее пиковой мощности должен полностью обеспечить электроэнергией автономный объект.

Для определения мощности ФСС необходимо рассчитать общее количество электроэнергии, которое может выработать одна солнечная панель за расчетный промежуток времени. Для расчета потребуется значение солнечной радиации, которое берется в период работы станции, когда солнечная радиация минимальна Емес,. В случае круглогодичной эксплуатации - это декабрь.

Определив значение солнечной радиации за интересующий нас период и разделив его на 1000, получим так называемое количество пикчасов, т. е. условное время, в течение которого солнце светит как бы с интенсивностью 1000 Вт/м2.

Солнечный модуль мощностью Рмод в течение выбранного периода времени выработает следующее количество энергии:

= • ^ /1—: кВтч, (8)

где Е - значение инсоляции за выбранный период, кВт-ч/м2, к - коэффициент, учитывающий поправку на потерю мощностью солнечных панелей при нагреве на солнце, а также наклонное падение лучей на поверхность фотоэлектрических преобразователей в течение дня.

Величина к принимается равной 0.5 летом и 0.7 в зимний период. Разница в его значении зимой и летом обусловлена меньшим нагревом панелей и меньшей величиной солнечной инсоляции в зимний период.

Полная мощность панелей ФСС определяется из выражения:

- ¡3= •— кВт, (9)

где Е - среднесуточное потребление электроэнергии объектом электроснабжения, кВт-ч.

В табл. 4 даны среднемесячные дневные суммы солнечной радиации, месячные и суммарные годовые значения солнечной радиации (кВт-ч/м2) для городов и этрапов Ахалского велаята Туркменистана, а также с градацией по различным углам наклона поверхности солнечных панелей относительно горизонтальной поверхности.

Среднегодовая суммарная радиация, поступающая на наклонную поверхность

солнечного модуля

Велаят в Туркменистане Город или этрап Географические координаты, град. Среднегодовая суммарная радиация, поступающая на наклонную поверхность солнечного модуля, кВтч/м2

Северная широта Восточная долгота

Угол наклона ¡3 =360 Угол наклона ¡3 =380

Ахал Гокдепе 38.2 58.0 1803.932 1802.125

Бахерден 38.4 57.4 1789.887 1785.711

Ашгабат 37.9 58.3 1825.455 1816.144

Теджен 37.4 60.5 1844.2 1827.226

Рассмотрим районы Ахалского велаята на предмет возможностей и целесообразности установки солнечных электростанций в частном секторе, а также возможность использования ФСС в населенных пунктах, изолированных от центрального энергоснабжения. В табл. 4 приведены данные среднегодовых значений интенсивности солнечного излучения, падающего на наклонную поверхность солнечной батареи при различных углах ее наклона к горизонту, для районов Ахалского велаята [5].

Таблица 5

Основные характеристики ФСС 900 кВт в селе Кирпили

1 Мощность ФСС 900 кВт

2 Количество основных базовых блоков 3

3 Мощность основного базового блока ФСС 300 кВт

4 Мощность фотоэлектрического модуля 415 Вт

5 Количество фотоэлектрических модулей 2160

6 Количество фотоэлектрических модулей, соединенных последовательно в ряде 10

7 Количество рядов 216

8 Площадь фотоэлектрических модулей 4671 м2

9 Количество инверторов 3

Определяем по формуле (8) общее количество электроэнергии, которое может выработать один солнечный модуль. Для солнечного модуля с мощностью 415 Вт величина Шпон составит 35.029 кВт-ч для Гокдепинского этрапа, 35.3 кВт-ч для Бахерденского этрапа, 35.875 кВт-ч для Тедженского этрапа и 35.607 кВт-ч для г. Ашгабат соответственно (месяц сентябрь).

При среднесуточном потреблении электроэнергии 2655 кВт-ч (Ахалский велаят, Гокдепинский этрап, село Кирпили) необходимая полная мощность ФСС, рассчитанная по формуле (9), составит около 936 кВт. Для энергоснабжения выбран ФСС с мощностью 900 кВт (табл. 5).

Сравним выработку электроэнергии ФСС с необходимым для энергоснабжения сельской местности, т. е. для села Кирпили. Приход солнечной энергии на оптимально

76

ориентированную площадку с углом наклона в = 36° на широтах расположения ФСС Ер показан в табл. 4. Потери rjp на ФСС составляет до 25 %, а КПД T]inv преобразования из

постояннного в переменный ток составляет 98.95 %, принятый КПД Т]т солнечного модуля 19.25 %. В этих условиях удельная выработка ФСС определяется по формуле:

Еи del.fi = ЕР ' Чр ' Vinv'Vm ■ (1°)

В нашем случае удельная выработка ФСС с учетом наклона ¡5 в течение года составляет 254.538 кВт-ч/м2 в год, а ФСС в течение года будет производить 1188950.32 кВт-ч энергии. Если считать, что каждый дом в сутки потребляет 15 кВт-ч энергии, то годовое потребление энергии села Кирпили составит 969075 кВт-ч.

Выводы:

1. Предлагается методика выбора оборудования фотоэлектрических солнечных станций для энергоснабжения удаленных населенных пунктов.

2. Разработан пилотный проект основного базового блока ФСС 300 кВт.

3. Разработан пилотный проект ФСС мощностью 900 кВт для обеспечения энергоснабжения населенного пункта Кирпили.

4. Разработанный пилотный проект на базе основного базового блока ФСС 300 кВт позволяет повысить надежность системы энергоснабжения.

Список источников

1. PVsyst Contextual Help (Built in Sorfware) [Электронный ресурс]. URL: https://files.pvsyst.com/help/ (дата обращения: 12.04.2019).

2. Klewer M. Design and simulation of a grid connected PV system in South Africa: technical, commercial and economical aspects // Masters Thesis. Norwegian Univ. Life. Sci. 2018. 164 p.

3. Deutsche Gesellscharf fur Sonnenenergia (DGS), Planing and Installing Photovoltaic Systems: A Guide for Installers, Architects and Engineers // Routledge. 2013. 524 p.

4. Smets A. H. M., Jager K., Isabella O., et. al. Solar Energy: The Physics and Engineering of Photovaltaic Conversion Technologies and Systems // UIT Campridge, UK. 2016. 488 р.

5. Джумаев А. Я. Возможности использования солнечной энергии в регионах Туркменистана / / Вестник Гомельского государственного технического университета им. П. О. Сухого. Научно-технический журнал. 2020. № 3/4 (82, 83). С. 74-80.

References

1. PVsyst Contextual Help (Built in Sorfware) [Electronic resource]. Available at: https://files.pvsyst.com/help/ (accessed: 12.04.2019).

2. Klewer M. Design and simulation of a grid connected PV system in South Africa: technical, commercial and economical aspects. Masters Thesis. Norwegian Univ. Life. Sci. 2018. 164 p.

3. Deutsche Gesellscharf fur Sonnenenergia (DGS), Planing and Installing Photovoltaic Systems: A Guide for Installers, Architects and Engineers. Routledge. 2013. 524 p.

4. Smets A. H. M., Jager K., Isabella O., et. al., Solar Energy: The Physics and Engineering of Photovaltaic Conversion Technologies and Systems. UIT Campridge, UK. 2016. 488 p.

5. Dzhumaev A. Ya. Opportunities for using solar energy in the regions of Turkmenistan. Vestnik Gomel'skogo Gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta imeni P. O. Suhogo. Nauchno-tekhnicheskij zhurnal [Bulletin of the Gomel State Technical University named after P. O. Sukhoi. Scientific and technical journal]. 2020. No 3/4 (82, 83). Pp. 74-80. (In Russ.)

Информация об авторе / Information about the author

Джумаев Аганияз Ягшиевич

кандидат физико-математических наук, проректор по научной работе Государственного энергетического института Туркменистана

Aganiyaz Ya. Jumayev

Candidate of physical-mathematical sciences, vice-rector State Energy Institute of Turkmenistan

Государственный энергетический институт Туркменистана, г. Мары, Туркменистан, 745400, ул. Байрамхан, 62

State Energy Institute of Turkmenistan, Mary city, Turkmenistan, 745400, Bajramhan str., 62,

Статья поступила в редакцию / The article was submitted Одобрена после рецензирования / Approved after reviewing Принята к публикации / Accepted for publication

28.02.2023 06.04.2023 14.04.2023