CC BY
90
proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2015; 86:163-169.
10. Brovcin V.N., Erk A.F. Optimizaciya parametrov solnechnoj vodonagrevatel'noj ustanovki metodom vychislitel'nogo ehksperimenta [Optimization of parameters of a solar water heating installation through computational experiment]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2013; 84: 112-125.
11. Rakut'ko S.A., Markova A.E., Mishanov A.P., Rakut'ko E.N. Energoehkologiya svetokul'tury - novoe mezhdisciplinarnoe nauchnoe napravlenie [Energy and ecological efficiency of indoor plant lighting as a new
Interdisciplinary research area]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016; 90: 14-28. 12. Rakut'ko S.A., Brovcin V.N., Mishanov A.P., Markova A.E., Rakut'ko E.N. Ocenka ehkologichnosti i ehnergoehffektivnosti predpriyatiya APK s pomoshch'yu ierarhicheskoj modeli iskusstvennoj bioehnergeticheskoj sistemy [Estimation of ecological compatibility and energy efficiency of enterprises within agro-industrial complex using a hierarchical model of an artificial bioenergetic system]. Regional'naya ehkologiya. 2015; 6 (41): 58-66.
УДК 631.152 Б01 10.24411/0131-5226-2018-10009
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ПАНЕЛЕЙ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
A.Ф. Эрк, канд. техн. наук; В.А. Размук;
B.Н. Судаченко, канд. техн. наук; Е.В. Тимофеев, канд. техн. наук
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия
Традиционно солнечная энергия в сельском хозяйстве используется для сушки сена и зерна, подогрева воды и отопления зданий. Для этих целей применяются гелиовоздухонагреватели и плоские или трубчатые вакуумные гелиоводонагреватели. Плоские гелиоводонагреватели работают только в летний период; вакуумные нагреватели возможно эксплуатировать и при отрицательных температурах окружающего воздуха, однако их недостатком является хрупкость трубок. В отечественной и мировой практике получили распространение фотоэлектрические панели (ФЭП), преобразующие солнечную энергию в электрическую, которые могут эффективно функционировать в широком диапазоне положительных и отрицательных температур. Солнечная энергия поступает на землю неравномерно в течение суток и месяцев года, поэтому для получения электроэнергии от ФЭП необходимо устанавливать дорогостоящее оборудование - контроллеры, аккумуляторы, инверторы. В статье предлагается метод использования пары «ФЭП - нагревательный элемент» для непосредственного преобразования электроэнергии от ФЭП в тепло для нагрева воды в баке-аккумуляторе. Для подтверждения возможности реализации предлагаемой схемы проведены исследования ФЭП в условиях Ленинградской области: выполнена оценка мощность приходящей радиации на один квадратный метр площади поверхности земли в течение года, определена зависимость мощности, вырабатываемой одним квадратным метром площади ФЭП от интенсивности солнечной радиации; выявлено изменение коэффициента полезного действия ФЭП в зависимости от температуры нагревательного кабеля. Анализ полученных данных позволил сделать вывод о том, что
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2018. Вып. 94_
одним из экономичных способов использования энергии солнца может быть применение фотоэлектрических панелей в паре с электронагревательными элементами (ТЭН, греющий кабель и т.п.) для подогрева теплоносителя, например, воды. При данной схеме, в отличие от солнечных электростанций, в системе отсутствуют такие дорогостоящие элементы, как контроллер заряда, набор аккумуляторных батарей и инвертор, что составляет 60% от стоимости полноценной солнечной электростанции.
Ключевые слова: фотоэлектрическая панель; солнечная радиация; гелиоводонагреватель.
Для цитирования: А.Ф. Эрк, В.Н. Судаченко, В.А. Размук, Е.В. Тимофеев. Повышение эффективности использования фотоэлектрических панелей в сельском хозяйстве // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 1 (94). С 71-77.
IMPROVING PERFORMANCE EFFICIENCY OF PHOTOVOLTAIC PANELS IN
AGRICULTURE
A.F. Erk, Cand. Sc. (Engineering); V.A. Razmuk;
V.N. Sudachenko, Cand. Sc. (Engineering); E.V. Timofeev, Cand. Sc. (Engineering)
Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production" (IEEP), Saint Petersburg, Russia
Traditionally, solar energy in agriculture is used for drying hay and grain, to heat the water and buildings. For these purposes, solar air heaters and flat or tubular vacuum solar water heaters are applied. Flat solar water heaters operate only in summer; vacuum heaters can also function at negative ambient temperatures, but their disadvantage is the fragility of the tubes. In domestic and world practice, photovoltaic panels, which convert solar energy into electrical energy, have become widespread. They can effectively work in a wide range of positive and negative temperatures. Solar energy reaches the earth unevenly during the day and throughout the year; so to generate electricity by photovoltaic panels the expensive equipment (controllers, batteries, inverters) needs to be installed. The article suggests the use of a photovoltaic panel together with a heating element for direct conversion of generated electricity into the heat for warming the water in an accumulating tank. To verify the feasibility of the proposed scheme, it was tested in the conditions of Leningrad Region. The power of incoming radiation was calculated per one square meter of the earth's surface area during the year; the dependence of the power generated by one square meter of the photovoltaic panel area on the intensity of solar radiation was determined; variation of the photovoltaic panel efficiency with the temperature of the heating cable was revealed. The analysis of the obtained data concluded that one of the economical ways to use the solar energy is to combine photovoltaic panels with electric heating elements (tubular heating elements, heating cables, etc.) to warm the heat carrier, for example, water. In this scheme, unlike solar power plants, the system avoids such costly elements as a charge controller, a set of batteries and an inverter that accounts for 60% of the cost of a full-fledged solar power plant.
Keywords: photovoltaic panel; solar radiation; solar water heater.
Введение
Среди возобновляемых источников энергии наиболее привлекательным является Солнце. Потенциал солнечной энергии
неисчерпаем [1]. Солнечная энергия используется как для непосредственного нагрева строительных конструкций зданий, так и для нагрева теплоносителей различных
технических систем. Возможно
использование солнечной энергии для подогрева воздуха в системах отопления зданий. Нашли применение
гелиовоздухонагреватели при сушке сена, зерна, семян и другой сельскохозяйственной продукции [2,3]. Наиболее перспективным в сельском хозяйстве и в быту является использование гелиоводонагревателей [4.5]. Гелиоводонагреватели разделяются на плоские и трубчатые-вакуумные. Первые используются только в летний период. Вакуумные гелиоводонагреватели возможно использовать и при отрицательны температурах окружающего воздуха, однако их недостатком является хрупкость трубок.
В мировой практике фотоэлектрические панели (ФЭП), преобразующие энергию Солнца в электрическую, заняли лидирующее место в системах электроснабжения потребителей (системы фотовольтаики). Они являются основой солнечных электростанций, которые
используются как сетевые солнечные электростанции с непосредственной подачей электроэнергии в централизованные сети, так и автономные. Последние требуют большое количество аккумулирующих емкостей [6,7]. Использование солнечных фотоэлектрических электростанций для электроснабжения потребителей требует согласование рода тока и напряжения получаемых от модулей с параметрами сети, на напряжение которой рассчитаны электроприемники потребителей. Для этого используются дорогостоящие инверторы.
Одним из экономичных способов использования энергии Солнца в системах фотовольтаики может быть использование электрической энергии непосредственно для подогрева теплоносителя (воды). В этом случае система должна состоять непосредственно из солнечных модулей и электронагревателей (ТЭН, нагревающий кабель и т.п.). Отсутсвие аккумуляторов, инверторов, контроллеров значительно
снижает стоимость электростанции. Одним из вариантов в этом случае является нагрев воды в бойлере жилого дома для отопления и горячего водоснабжения.
Материал и методы
В ИАЭП проведены экспериментальные исследования возможности и эффективности использования ФЭП (рис. 1) для нагрева путем прямого преобразования
электроэнергии в тепловую (на примере климатических условий Ленинградской области).
Рис.1 Монокристаллическая панель
Целью проведения исследований являлось получение исходных данных для построения вольт-амперной характеристики ФЭП, зависимости мощности
вырабатываемой фотоэлектрической
панелью от интенсивности солнечной радиации, определения коэффициента полезного действия ФЭП, определения помесячной и годовой фактически получаемой энергии от Солнца, изучение возможности использования этой энергии для нагрева. Установка включала в себя: фотоэлектрический монокристаллический модуль, мощностью 230Вт;
метеорологическая станция «DAVIS Vantage Pro2»; регистратор данных электрической сети «DATA LodgerPicolog 1012»; измерительный комплекс «Терем 4» с датчиками температуры; электрические нагревательные элементы.
и научно-практический журнал. Вып. 94
Экспериментальные исследования
проводили методом «пассивного
эксперимента»
Из результатов обработки данных поступления солнечной радиации, полученных с помощью метеорологической станции «DAVIS Vantage Pro2» (рис.2) следует, что мощность приходящей солнечной радиации за месяц на один квадратный метр площади ФЭП для Ленинградской области с марта по сентябрь меняется от 14до 267кВт,
23 0 f
IS äJ»
м S 160
Р5 140
40 100 К Ii
1 4 --t L x
январь «арт ¿прель Месяц сентябрь октябрь ноябрь декабрь
Ё
§ 80
£
8 60
е
т
| 40
|
20
10
Ю
г УЗ 2 50 3 XI 3 Инт 0 4С енсивноп Ю 4 0 5( й рад Ю ации, 55 Вт/ м2 6 Ю 6 О 7
Рис.2. Месячная мощность приходящей солнечной радиации на один метр квадратный площади солнечного модуля в течении года
Полученные данные свидетельствуют о целесообразности практического
использования солнечной энергии в системе обогрева с аккумуляторами тепловой энергии с целью замещения более дорогих традиционных источников энергии.
Результаты и обсуждение
В результате экспериментальных исследований получили зависимость мощности вырабатываемой
монокристаллической солнечной панелью (с пересчетом на 1м2) от интенсивности солнечной радиации (рис.3)
Рис. 3. Зависимость мощности вырабатываемой одним квадратным метром монокристаллической солнечной панели от интенсивности солнечной радиации
Зависимость мощности, вырабатываемой ФЭТ, от интенсивности солнечной радиации не линейна, следовательно, коэффициент полезного действия (КПД) ФЭП зависит от интенсивности солнечной радиации.
По результатам анализа полученной зависимости рассчитано изменение КПД фотоэлектрической панели от изменения интенсивности солнечной радиации (рис.4).
Ко эф. полезного действия, % ОКЭ-^СТЧОООЮ-^ОЧСС
200 300 400 500 600 700 Интенсивность радиации, Вт./м2
Рис.4. Коэффициент полезного действия фотоэлектрической панели в зависимости от интенсивности солнечной радиации
Ключевым отличием предлагаемого метода непосредственного подключения нагревательного элемента к ФЭП, от традиционного метода использования солнечной энергии для нагрева, является наиболее рациональное использование вырабатываемой электроэнергии [8,9]. При этом отпадает необходимость в
дорогостоящем оборудовании для
преобразования напряжения на выходе ФЭП в стандартные величины напряжения. В связи с большой инерционностью процесса нагрева и охлаждения нагревательного элемента во времени, для определения зависимости температуры нагревательного элемента (кабеля) от интенсивности солнечной радиации, выполнен перерасчет на основании использование ФЭП для нагрева воды или воздуха с помощью фиксированных значений. Полученные данные представлены в виде графика (рис.5)
-J
щ
/ ■
/ 1_
/
О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Интенсивность солнечной радиации. Б| ч
Рис.5. Зависимость температуры агревательного кабеля от интенсивности солнечной радиации
Выводы
Одним из экономичных способов использования энергии солнца может быть применение фотоэлектрических панелей в паре с электронагревательными элементами (ТЭН, греющий кабель и т.п.) для подогрева теплоносителя (например, воды). При такой схеме использования энергии солнца, в отличии от солнечных электростанций, в системе отсутствуют такие дорогостоящие элементы, как контроллер заряда, набор аккумуляторных батарей и инвертор, что составляет 60% от стоимости полноценной солнечной электростанции. Одним из вариантов использования упрощенной схемы электростанции является предварительный подогрев воды в бойлере жилого дома для отопления и горячего водоснабжения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. А.В. Бобыль, А.Г. Забродский, В.Г. Малышкин, Е.И. Теруков, А.Ф. Эрк Источники развития альтернативной энергетики // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. № 92. С. 31-35.
2. Чистяков ВВ., Аксенов Н.Н. , Эрк А.Ф. Гелиоколлектор для сушки зерна и семян трав. Техника в сельском хозяйстве. 1988. №2. С.60.
3. Эрк А.Ф., Папушин Э.А. Сушка семян трав с использованием гелиоколлектора // Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводства и животноводства. 2015. №87. С.254-259
4. Эрк А.Ф. Результаты экспериментальных исследований тепловых потерь гелиоводонагревателя // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 1988. № 53. С.57- 60
5. Бровцин В.Н., Эрк А.Ф. Оптимизация параметров солнечной водонагревательной установки методом вычислительного эксперимента // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2013. № 84. С.112-125.
6. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н., ТимофеевЕ.В., Размук В.А. Выбор типа электроснабжения сельскохозяйственного предприятия с использованием солнечных электростанций // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. №89 С.19-23.
7. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н Методы повышения надежности энергообеспечения крестьянских (фермерских) хозяйств // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. №88. С. 53-59.
8. Судаченко В.Н., Эрк А.Ф., Тимофеев Е.В., Обоснование критерия экономической эффективности совместного использования традиционных и возобновляемых энергоисточников // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. № 92. С. 35-43.
9. Бровцин В.Н., Эрк А.Ф, Обоснование оптимальных параметров преобразователей энергии солнца и ветра в электрическую // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2014. № 85. С.82-95.
REFERENCES
1. A.V. Bobyl', AG. Zabrodskij, V.G. Malyshkin, E.I. Terukov, A.F. Erk Istochniki razvitiya al'ternativnoj ehnergetiki [Sources of alternative energy development]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017, no. 92. pp. 31-35.
2. Chistyakov V.V., Aksenov N.N. , Erk A.F. Geliokollektor dlya sushki zerna i semyan trav [Solar collector for drying hay and grass seeds]. Tekhnika v sel'skom hozyajstve. 1988; 2: 60.
3. Erk A.F., Papushin EH.A. Sushka semyan trav s ispol'zovaniem geliokollektora [Grass seed drying with the use of solar collector]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2015; 87:.254-259.
4. Erk A.F. Rezul'taty ehksperimental'nyh issledovanij teplovyh poter' geliovodonagrevatelya [Experimental study results of thermal losses in solar water heater]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 1988; 53: 5760.
5. Brovtsin V.N., Erk A.F. Optimizaciya parametrov solnechnoj vodonagrevatel'noj
ustanovki metodom vychislitel'nogo ehksperimenta [Optimization of parameters of a solar water heating installation through computational experiment]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2013; 84: 112-125.
6. Erk A.F., Sudachenko V.N., TimofeevE.V., Razmuk V.A. Vybor tipa ehlektrosnabzheniya sel'skohozyajstvennogo predpriyatiya s ispol'zovaniem solnechnyh ehlektrostancij [Electrical power supply of an agricultural enterprise with the use of solar power plants]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016; 89: 1923.
7. Erk A.F., Sudachenko V.N Metody povysheniya nadezhnosti ehnergoobespecheniya krest'yanskih (fermerskih) hozyajstv [Methods to improve reliability of power supply of private (peasant) farms]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016; 88: 53-59.
8. Sudachenko V.N., Erk A.F., Timofeev E.V., Obosnovanie kriteriya ehkonomicheskoj ehffektivnosti sovmestnogo ispol'zovaniya
76
tradicionnyh i vozobnovlyaemyh
ehnergoistochnikov [Justification criterion of economic efficiency of joint use of traditional and renewable energy sources]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017; 92: 35-43. 9. Brovtsin V.N., Erk A.F, Obosnovanie optimal'nyh parametrov preobrazavatelej
ehnergii solnca i vetra v ehlektricheskuyu [Substantiation of optimal parameters of solar and wind energy converters into electricity]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2014; 85: 82-95.
УДК 620.9
DOI 10.24411/0131-5226-2018-10010
спектральный подход к анализу всплесков временной
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
A.В. Бобыль1, д-р физ.-мат. наук;
B.В. Давыдов , канд. физ.-мат. наук; А.Г. Забродский1, д-р физ.-мат. наук; Н.Р. Костик3;
В.Г. Малышкин1, канд. физ.-мат. наук; О.В. Новикова , канд. экон. наук;
о о
Д.М. Уришов3; ЕА. Юсупова2
1ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург
2 Санкт-Петербургский Политехнический Университет Петра Великого
3 Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет СПбГЭТУ "ЛЭТИ"
Предложен альтернативный среднеквадратичному отклонению подход к анализу всплесков временных последовательностей. Задача сводится не к рассмотрению моментов наблюдаемой (дисперсия часто бесконечна для наиболее интересных процессов), а к нахождению весов усреднения, обеспечивающих экстремум наблюдаемой. Математически задача сводится к обобщённой задаче на собственные значения, вес усреднения пропорционален квадрату собственной функции, величина малости значения определяется числом собственных значений, значение которых выше значения наблюдаемой. Подход применим к негауссовским распределениям (например, с бесконечной дисперсией, процессам с отличающимися на много порядков выбросами и пр.) Применение подхода продемонстрировано на данных биржевой торговли, генерации мощности солнечной электростанции, и др. Обсуждается особая важность всплесков в динамике рынка электроэнергии.
Для цитирования: А.Б. Бобыль, Б.Б. Давыдов, А.Г. Забродский, Н.Р. Костик, В.Г. Малышкин, О.В. Новикова, Д.М. Уришов, Е.А. Юсупова. Спектральный подход к анализу всплесков временной последовательности// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 1 (94). С 77-85.
THE SPECTRAL APPROACH TO TIMESERIE BURSTS ANALYSIS
A.V. Bobyl1, DSc (Physics and Mathematics); A.G. Zabrodskii1, DSc (Physics and V.V. Davydov , Cand. Sc. (Physics and Mathematics); Mathematics); N R. Kostik3;
