Оценка мощности фотоэлектрических преобразователей в системах автономного электроснабжения республики Тыва Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 8 (2014 7) 966-975

УДК 621.311.243

Article Describes the Features of Electrical Supply System Settlements of the Republic of Tyva

Kara-kys V. Kenden* and Vladimir A. Tremyasov

Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia

Received 29.09.2014, received in revised form 14.10.2014, accepted 15.11.2014

Shown the possibility of using solar energy for autonomous power supply to consumers. Offered an improved method of determining the power of photovoltaic transducers used in decentralized power supply system's taking into account climatic and hardware factors. The conducted research power of the photoelectric transducer in the climatic conditions of the village in Tyva.

Keywords: Tyva, independent electric power supply, solar radiation, photoelectric transducer, power, climatic factors.

Оценка мощности фотоэлектрических преобразователей в системах автономного электроснабжения республики Тыва

К.В. Кенден, В.А. Тремясов

Сибирский федеральный университет Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Рассмотрены особенности систем электроснабжения населенных пунктов Республики Тыва. Показана возможность использования солнечной энергии для автономного энергоснабжения потребителей. Предложена усовершенствованная методика определения мощности фотоэлектрических преобразователей, используемых в децентрализованных системах электроснабжения, с учетом климатических и аппаратных факторов. Проведены исследования мощности фотоэлектрического преобразователя в климатических условиях населенного пункта Республики Тыва.

Ключевые слова: Тыва, автономное электроснабжение, солнечная радиация, фотоэлектрический преобразователь, мощность, климатические факторы.

© Siberian Federal University. All rights reserved Corresponding author E-mail address: Kuca08@mail.ru

*

Малая автономная энергетика Республики Тыва, построенная преимущественно на дизельной генерации, обусловлена социально-экономическими особенностями функционирования и развития энергетического хозяйства децентрализованных районов республики, климатическими условиями, удаленностью и труднодоступностью потребителей. Кроме того, необходимо учитывать значительную площадь обслуживания электрооборудования при низкой плотности населения и, соответственно, небольшие требуемые мощности энергогенерирующих установок из-за отсутствия крупных промышленных потребителей, высокую экологическую уязвимость территории и аграрную специализацию региона.

Изолированные энергоузлы республики - сельские населенные пункты, поселения коренных народов, скотоводов, охотников и рыбаков, горнодобывающие прииски, не охваченные централизованным электроснабжением и удаленные от топливных баз. По обобщенным данным министерства промышленности и энергетики республики Тыва, на текущий момент на территории республики находятся в эксплуатации 12 дизельных электростанций (ДЭС), включающих 18 агрегатов, которые снабжают электроэнергией около 13 000 человек в шести районах республики. Установленная мощность энергооборудования составляет 4595 кВт.

Повысить эффективность энергоснабжения децентрализованных зон можно различными путями. Очевидным вариантом, который реализуется в Республике Тыва, является замена устаревших ДЭС с корректировкой их установленных мощностей. Однако этот вариант имеет объективные ограничения из-за высокой стоимости дизельного топлива и трудностей с его доставкой.

Принципиально более привлекательным вариантом совершенствования систем электроснабжения населенных пунктов Тывы выступает их построение с ориентацией на местные, в том числе возобновляемые, энергоресурсы. По уровню солнечной инсоляции территория Тывы относится к числу ведущих регионов России. Действие азиатского максимума обеспечивает максимальное число ясных дней даже в зимний период, когда наклон солнца над горизонтом и продолжительность дня минимальны. Максимальный приход солнечной радиации характерен для южных районов республики в пределах Убсунурской котловины. Развитию солнечной энергетики способствуют и низкие средние температуры в республике, которые позволяют достигать максимального значения коэффициента полезного действия (КПД) фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).

Задачей данного исследования является совершенствование методики оценки мощности солнечной панели (СП), учитывающей влияния климатических и аппаратных факторов на вырабатываемую мощность ФЭП в реальных условиях на примере с. Качык Республики Тыва.

Ввиду малочисленности актинометрических станций (АМС) на территории Республики Тыва значения поступлений солнечной энергии могут быть получены косвенным методом, основанным на использовании специальной математической модели. Приборные актинометри-ческие измерения только оценочные, для чего проводят непосредственные измерения на месте установки ФЭП, обычно непродолжительные.

Для условий Тывы проанализированы возможности использования нескольких методик расчета величины солнечной радиации ЕСП, поступающей на СП с оценкой допускаемой погрешности [1-4]. Сравнительный анализ позволил выбрать методику, предложенную Р. А. Бер-дом [4], с использованием поправочных коэффициентов для условий Тывы и дающую значения

солнечной радиации, погрешность которых составляет his больше 5 % суммарной солнечной радиации, измеренной на АМС, расположенной в г. Кызыл.

Плотность потока полного солнечного излучения на горизонтальнуюповерхность E Пр", Вт/м2, определяется по выражению

(E. +0/(l-r3. ra), (1)

где; ¿H., Вт/м2, - плотность потока прямого солнечного излучения при чистом небе;

, Вт/м2У - олотность потока диффузного солнечного излучения; ra, r3 - значения альбедо атмо сферы и подстилающей поверхности

Г =0,0685 + (1 - Ба ) • (1,0 - kAS ), (2)

где Ба - отношение рассеянного прямого излучения к общему рассеянному излуче нию, kAS -коэф фициент рассеяния частицами сухого во здуха.

Отражательную способность любой поверхности (снег, песок, трава) можно характеризовать веоичиной ее альбедо гс [5]. Суммарная радиация, дошедшая до зем ной поверхности, частично о тражаясь от нее, со здазт отраженную солнечную радиацию, направленную от зе мной поверхности в атмосферу. Наибольшей отражательной способностью обладает свежевы-павший сниг - до 9)0 %. В период, когда нет устойчивого снежного покрова, доля рассеянной радиации не правышает 15 %. С установлением снсжного покрова доля рассеянной радиации снегом превышает 50-60 %. Снежнаой покров на территории Тывы устанавливается в течение 6 месяцев: с ноября до апреля. 1В яеные дни освощанность зе счет рассеяния снс гом возрастает до двух раз по сравнению с освещением СП только прямыми лучами. Наличие анежного покрова в республике is течение полугодо зимой способствует увеличению выработки электроэнергии солнечными панелями в 1,5...2 раеа ico сравнению, нппример, с территорией Германии, где зимой почти не быевоет снега. Снежное поле отражает до 9)0 % солнучныт лучей или рассеянного излучения.

Плотность потокт прямо го солнечного излучения при чистом небе с учетом поправочных коэффициентов для условий Тывы E0|, Вт/мУ

ЕСЛрсЕ-со5®е-Н"с-куел (3)

где Е - нормальная плотностя потока солнечного излучензя в космосе (солнечная постоянная Е=1367 Вт/м2); cos0z - косинус; угла падения лучей на горизонтальную поверхность; - коэффициент ослабления процессов пропугкания прямого солнечного излучения в атмосфере Земли; значения поправочные коэффициентов ГЦЯ =1,14 - для зимних месяцев и кПр = 0,91 -для летних месяцев гьда.

Плотность потокздиффузного солнечного излучения с учетом поправочныех коэффициентов для условий Тыывые Е°0Цф, Вт/м2,

Едг"° =E ■ ros@z • к0"*-к^, (4)

где = 1,05 - поправочный коэффициенс при расчате диффузного солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность для всех месяцев года; сд"ф - коэффициент ослабления диффузион ного солнечного излучения в атмо сфере Земли.

У/гол наклона СП является одним из главных аппаратных факторов, влияющих на вырабатываемую мощность солнечной панели. Солнечные панели вырабатывают максимальную мощность, когда они направлены на Солнце, т. е. их поверхность перпе ндикулярна солнечным лучам. Использование СП с устройством слежения за Солнце м (трекером) способствует увеличению производства электро энергии на 10 % к зимний период и на 40 % летом, но стоимость таких СП возрастает в два и более раза в сравнении со стационарными панелями [6]. Поэтому потребители отдают предпочтение стационарным СП.

СП обычно располагаются на крыше или поддерживающей конструкции в фиксированном положении. Для весны и осени оптимальный угол наклона равен значению широты местности. Для зимы к данному значению прибавляется 15 градусов, а летом из этого значения вычитается 15 градусов. Поэтому рекомендуется менять дважды в год угол наклона солнечной панели с летнего на зимний.

Значения плотности потока полного солнечного излучения, падающего на наклонную поверхность СП ЕСП, Вт/м2, равны

E= E"" + Ед"ф + E"mp. (5)

Сп накл накл накл V /

Значения плотности потока прямого, диффузного и отраженного солнечных излучений, поступающих на наклонные поверхности, определяются по формулам:

7пр — Т7"Р

(6)

E диф _ „диф _ ,1 + cos/?y (_)

накл гор ( ^ V /

Еотр _ тополя р (1 (8)

E накл Егор ' Рвозд Ч ^ Л W

где cos©,,^, - косинус угла падения лучей на наклонную поверхно сть, ориентированную на юг; Рсза, Па - атмосферное давление; Р - оптимальный угол наклона СП; для условий с. Качык с оставляет в зимнее время РЗ0М = 65°, в летнее рлЕе = 35е3.

На рис. 1 представлен график среднемесячн ых значений полного прихода солнечного излучения на наклонную поверхность СП для с. Качык, полученный по вышеописанной методике. Среднемесячное значение плотности потока колнечного излучения на наклонную поверхность СП для с. Ккчые составляет от 38 до 262 кВт/м2 , а суммарный кодовой приход солнечного излучения - 1823 кВт/м2.

В реальных условиях максимальная мощность, ыоторую с пособна генерировать СП, варьируется в пределах от 0 до 120 % её пиковой мощности, указанной в технических характеристиках при Standard Test Condition (STC). В процессе производства СП подвергают облучению для измерения значений вольтамперных характеристик при STC: потоке солнечной энергии 1000 Вт/м2, температуре фотоэлектрических солнечных элементов 25 °С и солнечном спектре на широте 45° при атмосферной массе, равной 1,5. Точка на вольтамперной характеристике СП, измеренной при STC, в которой произведение тока и напряжения максимально, - это пиковая мощность СП.

месяц

Рис. 1. Среднемесячные значения плотности потока солнечного излучения на наклонную поверхность для с. Качык

На вырабатываемую мощность солнечной панели влияют климатические факторы местности и аппаратные факторы, связанные с конструкцией (технологией изготовления) СП и углом ее размещения относительно горизонта (технологией монтажа). На рис. 2 представлена зависимость вырабатываемой мощности СП от перечисленных факторов и связи между ними.

Техническое качество СП определяется основной величиной - КПД солнечного излучения, выраженного как отношение максимальной мощности СП к произведению плотности мощности падающего излучения на площадь СП. Кремниевые солнечные элементы в серийном производстве достигли следующих значений КПД: 18,5 % - монокремниевые элементы и 17,4 % - поликремниевые элементы. Больший КПД монокремниевых элементов объясняется тем, что в их конструкции используются специально выращенные кристаллы кремния с однородной структурой, в то время как поликремниевые производятся из расплава кремния. Кроме того, срок снижения эффективности монокристаллического кремния при эксплуатации составляет более 25 лет, в течение которых КПД уменьшается менее чем на 20 % из-за частичной потери прозрачности гидроизолирующего материала. У поликремниевых элементов снижение эффективности достигает 30 % за 15 лет. Несмотря на это, по состоянию на 2013 г. более 70 % фотоэлектрических станций в мире смонтированы с использованием поликремниевых СП, так как инвесторов больше интересует общая стоимость и срок окупаемости проекта, чем максимальные значения эффективности таких станций и их долговечность.

Кроме вышеперечисленных аппаратных факторов снижение вырабатываемой мощности СП может быть связано с их недостаточной вентиляцией, которая может привести к перегреву солнечной панели на 20 °С и вследствие этого к ускоренной деградации полимерных герметизирующих материалов. В работе [7] были проведены испытания СП на их термическое состояние при различных способах монтажа. По результатам испытаний выявлено, что эффективный отвод тепла от СП достигается при зазоре не менее 225 мм между тыльной поверхностью панели и плоскостью крыши, обеспечивая при этом естественное конвекционное охлаждение воздухом.

Немаловажным фактором, способным снизить эффективность СП, является ее затененность. Затенение от соседних зданий, деревьев или антенн может значительно снизить про- 970 -

Рис. 2. Зависимость) вырабатываемой мощности PСП солнечной панели от климатических и аппаратных факторов и связи между ними: Upae, 1рав - рабочие напряжение и ток СП; Uxx лаб - напряжение холостого хода и 1КЗ. лаб - ток короткого замыкания, полученные в лабораторных условиях; Тсп - температура солнечной панели; Твозд, Рео3д, Weo3d - температура, давление и влажность воздуха; Уветр - скорость ветра, ЕСП - суммарная солнкчная радиацкя иа наклонную поверхность СП; вЗМ - оптимальной угол наклона СП, гз - альбедо постилающей поверхности, ra - альбедо ктмосф еры

изводительность (СП. Поэтому до монтажа следует ознакомиться с зонами затенения для оптимального размещения солнечной установки и предусмотреть расположение панелей на определенном расстоянии друг от друга. Временное затенение из-за снега, опавших листьев, птичьего помета, пыли и т. д. устраняется естественным оЯразом (дождь, ветар в сочетании с углом наклона СП). При монтаже СП следует обязательно учитывать особенности ландшафта, наличие деревьев, постро ек,линий электропередач.

Для исследования влияоия рада вышеуказанных факторов на вырабстываему ю мощность ФЭП авторами работы выбрана солнечная монокртмниевая панель ТСМ 160(22'4) производства ООО «СоларИннТех» (г-. Зеленоград) (табл. 1)).

Среднемесячная вырабютываемая мощность СП в реальных условиях, Вт/м2, определяется по выражению

Р(П=и(аб-1раб, (9)

где ираб, В, - рабочие напряжения; 1раб, А, - рабочий ток СП:

Таблица 1. Технические характеристики солнечной панели ТСМ-160(24)

Параметр Величина

Максимальная выходная мощность 160 Вт±5 %

Номинальное напряжение 24 В

Напряжение холостого хода 42 В±5 %

Ток короткого замыкания 5,7±5 %

Напряжение при максимальной мощности 34 В±5 %

Ток при максимальной мощности 4,6 А±5 %

Размеры 1580x815x43 мм

Вес 17,5 кг

Температура окружающего возду ха при эксплуатации минус 40...+50 °С

и „б =0,728-их (10)

I раб = 0,763 • 1кз , (11)

где Uxx, IB, - реальное значение напряжения холостого хода СП; /Ка А, - реальное значение тока короткого замыкания СП.

При производстве и проведении лабораторных испытаний СП определяются значения напряжения (тока) в точке вольтамперной х арактеристики с ну левым током (напряжением), которые у казываются впо следствии в листах техничхских характеристик. Следует заметить, что полученные в лабораторных условиях напряжение холостого хода и ток короткого замыкания будут отличхться от действительных из-за хлияния климатических факторов на работу СП.

На вырабатываемую мощность СП в реальных условиях прежде всего оказывает влияние ее твмпература, которая зависит от ряда климатических (факторов: солнечной радиации на ориентированную поверхность, температуры окружающей средв1, скорости ветра, влажности и давления воадуха. СИ рохтом температуры ток короткого замыкакия увеличивается, а напря-жених холостого хода уменьшавтся. Количественно влияние яемпвратуры на значение выда-вавмой мощности можно оценить, исследус по отдельности зависимости тока и напряжения от температары.

С учетом климатических условий в [85] получены выражения для напряжения холостого хода Uxx и тока короткого замыкания /КЗ:

Uxx = UХХ.лаб - ОД • (Тсп - TMn); (12)

1 КЗ = 1КЗ. лаб

+ 0,01-(Тсп - Тлаб.сп) - 0,004-+ 0,005-(Есп - Елаб ), (13)

где Тшаса - температура кремниевого солночного модуля, находится в пределах 38-58 °С при Standard Reference Environment (SRE): уровне инсоляции Е^, равном 800 Вт/м2, нормальном угле наклона к излучению, температуре окружающего воздухе Тш6аозд = 20 °С при сксрости двнжения воздуха Veemp = 1 м/с.

Оценке изменения температу ры панели Тса в процессе ее функционирования посвящено значительное количество еарубежных и отечественных работ [8-12]. В исследованиях исполь-

зуются достаточно сложные математические модели. Двухлетние наблюдения и сбор данных по динамике изменения температуры солнечных элементов в зависимости от рабочих условий (Твозд, ЕСП, VeemP) дали возможность американским ученым получить выражение для определения среднемесячной температуры ТСП, °С, солнечной панели [13]:

Тсп = 0,943• Твозд + 0,28• Есп -1,528- К4,3 . (14)

Кроме перечисленных выше трех климатических (факторов на температуру солнечной панели также влияют влажность и давление воздуха. Проведенный 7-летний мониторинг авторами работы [8] по пяти климатическим факторам позволил провести многофакторный регрессионный анализ с последующим получением формулы температуры ТСП, °С:

Тсп = тлабсп + 0,81 • (Твозд - тм ) - 0,06 • W^ -

- 0,01 • Рвозд - 0,24 • V^ + 0,06 • (Есп - еаб).

Полученные среднемесячные значения температуры СП в течение года с применением формул (14) ис (е5) для с. Качык (Республика Тыве) представлены в виде криоых на рис. 3.

Расхождения среднемесячных значений температур находятся в пределах от 0 до 20 °С: с марта по сентябрь различие в значениях температур составляет 5-20 °С, а с октября по февраль - 0-10 °С. В случае применения СП в течение года для расчета температуры панели рекомендуется пользоваться формулой (15), так как в ней учитываются такие климатические факторы, как полный приход солнечной энергии, скорость ветра, температура, влажность и давление воздуха.

Для с. Качык Республи ки Тыва при определании температуры (СП бы ли взяты из [14] значения среднемесячных температур воздуха Твозд, °С, и скоростей ветра Veemp, м/с, в светлое время суток и рассчитанные по вышеописанной методике среднемесячные значения суммарной радиации на ориентированную поверхность ЕСП, кВт/м2. Применительно к исследуемой местности географическая широта и долгота составляют фм = 51,7° с.ш. и XM = 94,5° в.д.

В качестве расчетных значений приняты среднемесячные температуры СП, полученные по формуле (15), так как панели будут функционировать в течение всего года.

месяц

Рис. 3. Среднемесячные значения температуры СП: сплошная кривая - значения ТСП, полученные по (14); пунктирная кривая - значения ТСП полученные по (15)

112 110 108

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 месяц

Рис. 4. Среднемесячные значения вырабатываемой мощности СП РСП с учетом климатических и аппаратных факторов

Для условий с. Качык с изменением температуры воздуха от минус 30 до 20 °С, скорости ветра от 1 до 3 м/с в светлое время сутоки суммарной солнечной радиации на ориентированную поверхность от 38 до 2262 кВтам2 в течение года среднемесячная вырабатываемая мощность одной СП марки ТСМ-160(24) по про изведенным расчетам составляет от 111 до 125 кВт (рис. 4). С учетом климатических и аппаратных факторов среднегодовое значение вырабатываемой одной СП мощности достигает 1436 кВт.

Выводы

1. В реальных условиях максимальная вырабатываемая мощность СП отличается от пиковой мощности, указанной в технических характеристиках. Как было показано ранее, это явление связано с влиянием на производительность СП ряда аппаратных параметров и климатических факторов местности, которым производители и потребители СП не уделяют должного внимания и не учитывают их при разработке или приобретении.

2. К аппаратным параметрам относятся характеристики, связанные с технологией изготовления и эксплуатации СП. При выборе СП следует отдавать предпочтение монокремниевым модулям, так как они имеют однородную структуру, обеспечивают больший срок их эксплуатации и меньший процент снижения КПД по сравнению с поликремниевыми панелями. При установке СП на конструкциях необходимо обеспечить эффективный отвод тепла от панели, обеспечивая при этом естественное конвекционное охлаждение воздухом. У стационарных панелей, установленных на поддерживающей конструкции, рекомендуется менять дважды в год угол наклона солнечной панели с летнего на зимний. До монтажа следует ознакомиться с зонами затенения для оптимального размещения солнечной установки и предусмотреть расположение модулей на определенном расстоянии друг от друга.

3. Предложена усовершенствованная методика оценки мощности солнечной панели, учитывающая влияние климатических (суммарная радиация на наклонную поверхность, температура, давление и влажность воздуха, скорость ветра) и аппаратных (напряжение холостого хода, ток короткого замыкания СП, способ монтажа) факторов на вырабатываемую мощность ФЭП в реальных условиях на примере с. Качык Республики Тыва.

Список литературы

[1] Аронова Е.С. // Научно-технические ведомости СПбГПУ 2006. № 6. Т. 1. С. 62-66.

[2] Шерьязов С.К. // Техника в сельском хозяйстве. 2000. № 3. С.36-39.

[3] Безруких П.П., Арбузов Ю.Д., Борисов Г.А. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. СПб.: Наука, 2002. 314 с.

[4] BirdR.A., Hailstorm R.L. // SERI/TR-642-761, Solar Energy Research Institute (SERINREL).

1981.

[5] Метеорологический ежемесячник. Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Среднесибирское УГМС. 2001-2011.

[6] Удалов С.Н. Возобновляемые источники энергии: Учебник. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. 432 с.

[7] Fuentes M.K. // Albuquerque, New Mexico 87185 and Livermor, California 94550: Sandia National Laboratories, Sand85-0330 UC-63, May, 1987.

[8] Юрченко А.В., Волгин А.В., Козлов А.В. // Известия Томского политехнического университета. 2009. Т. 314. № 4 С. 142-148.

[9] Kenny R.P., Huld T.A., Iglesias S. // Proceedings of the 21st EU PVSEC, Dresden, Germany, September 4-8. 2006. P. 2088-2092.

[10] Merten J., Amy E. de le Breteque // Proceedings of the 21st EU PVSEC, Dresden, Germany, September 4-8. 2006. P 2871-2874.

[11] Muresan C. // Conference in Europe - From PV technology to energy solution. 7-11 October 2002, Rome, Italy. 2002. P. 737-740.

[12] Nguyen A.M., Artigao A., Cunningram D. W. etc // Proceedings of the 21st EU PVSEC, Dresden, Germany, September 4-8. 2006. P 2031-2037.

[13] Tamizhani G., Tang Ji Y., Petacci L. // NREL and Solar program review meeting 2003, NREL/ CD-520-33586. P. 936-939.

[14] Архивы погоды [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.pogodaiklimat.ru/ Дата обращения: 16.03.2014.