CC BY
66
УДК 621.311.25
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ДЛЯ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
1 9
© А.Т. Ахметшин1, У.Р. Ярмухаметов2
Башкирский государственный аграрный университет, 450001, Россия, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34.
Приведена методика исследования выходных энергетических показателей солнечных фото-электрических установок с различной степенью пространственной ориентации, описаны разработанные математическая и физическая модели солнечной фотоэлектрической установки. Представлены результаты расчетов эффективности применения систем слежения в солнечных фотоэлектрических установках в условиях с. Кушнаренково Республики Башкортостан, выявившие, что годовая выработка электрической энергии увеличивается на 27% при слежении по азимуту, на 37% при полном слежении за Солнцем.
Ключевые слова: децентрализованное электроснабжение, солнечные фотоэлектрические установки, повышение эффективности; степень пространственной ориентации, системы слежения за Солнцем, климатические и географические факторы.
IMPROVING SOLAR PHOTOVOLTAIC INSTALLATION EFFICIENCY FOR DECENTRALIZED ELECTRIC POWER SUPPLY OF AGRICULTURAL CONSUMERS A.T. Akhmetshin, U.R. Yarmukhametov
Bashkir State Agrarian University,
34 50-letiya Oktyabrya St., Ufa, 450001, Russia.
The article describes a research methodology of the output parameters of solar photovoltaic energy systems with varying degrees of spatial orientation as well as developed mathematical and physical models of the solar photovoltaic installation. The results of calculating the efficiency of tracking system application for solar photovoltaic installations in the conditions of Kushnarenkovo settlement in the Republic of Bashkortostan have shown that tracking in azimuth increases annual generation of electrical energy by 27%, while full tracking of the sun increases it by 37%.
Keywords: decentralized electric power supply; solar photovoltaic installations; efficiency improvement; degree of spatial orientation; sun tracking systems; climatic and geographical factors.
В настоящее время Российская Федерация снабжает электрической энергией не только потребителей внутри страны, но и поставляет ее в другие страны. Однако остаются нерешенными проблемы обеспечения электрической энергией потребителей с децентрализованным электроснабжением. Наибольшее число таких потребителей расположено в удаленных труднодоступных населенных пунктах и сельскохозяйственном секторе экономики.
Как показывает мировой и отечественный опыт, данную проблему можно решить использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в частности применением солнечных фотоэлектрических установок (СФУ). Применение СФУ обусловлено рядом преимуществ: возможностью обеспечения электроснабжением потребителей различной мощности, не подключенных к сетям энергосистем; относительной надежностью и долговечностью; отсутствием шума и экологической чистотой в использовании; возможностью полной автоматизации.
Несмотря на достоинства СФУ, их практическое использование в РФ не получило еще заметного распространения. К препятствию активному внедрению СФУ, наряду с высокой стоимостью и низким КПД солнечного фотоэлемента (СФЭ), относят нестабильность вырабатываемой ими электрической энергии, связанной с временной изменчивостью прихода солнечной радиации, ее рассеянностью, низкой плотностью и зависимостью от климатических и гео-
1Ахметшин Артур Талгатович, старший преподаватель кафедры электроснабжения и применения электрической энергии в сельском хозяйстве, тел.: (347) 2526610, e-mail: [email protected]
Akhmetshin Artur, Senior Lecturer of the Department of Power Supply and Use of Electric Energy in Agriculture, tel.: (347) 2526610, e-mail: [email protected]
2Ярмухаметов Урал Рашитович, кандидат технических наук, доцент кафедры электрических машин и электрооборудования, тел.: (347) 2526610, е-mail: [email protected]
Yarmukhametov Ural, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Machines and Electrical Equipment, tel.: (347) 2526610, e-mail: [email protected]
графических условий [4].
Известным способом повышения эффективности СФУ является использование в них систем слежения за Солнцем, которые способствуют снижению влияния указанных ранее факторов.
Цель исследования - повышение эффективности выработки электрической энергии СФУ для децентрализованного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с учетом географических, климатических факторов и степени пространственной ориентации СФУ на Солнце.
Для достижения сформулированной цели поставлена следующая задача: на примере с. Кушнаренково Республики Башкортостан (РБ) исследовать влияние степени пространственной ориентации СФУ на эффективность ее работы с учетом климатических и географических факторов.
Объект, методы и условия исследования
Объектом исследования является наземная автономная СФУ:
- без системы слежения за Солнцем, ориентированная на юг и установленная к горизонту под оптимальным углом р (1 вариант - базовый);
- установленная под оптимальным углом р к горизонту и имеющая систему слежения за Солнцем по азимуту (2 вариант);
- с полным слежением за Солнцем (3 вариант).
Для решения поставленной задачи использовались методы математического и имитационного моделирования с применением программного обеспечения Matlab/Simulink и экспериментального исследования физической модели СФУ в полевых условиях.
Исследования проводились в природно-климатических условиях с. Кушнаренково РБ (55,06°с.ш. 55,20°в.д.).
Для проведения исследования была разработана математическая модель работы СФУ, позволяющая получать вольт-амперные (ВАХ) и вольт-ваттные характеристики (ВВХ), зависимости вырабатываемой мощности от времени с учетом комплексных воздействий, приводящих к изменению выходных энергетических показателей СФУ.
В общем виде разработанную математическую модель СФУ можно представить системой уравнений:
(I - z - J)e
AkT,—-(^)J»K3-Rn +Klg(T)+Vaxx -ßu (T-T) |-1
A-k-T
Uсфэ (T,I,J) =--ln (-^---+1
q 1 - z
I - h
JK3 (I,T) = J0a + J0k3 + ßr J0m (T - T );
Io
- % (1 + x-T )]+[ + 3,8v) + 4s-a-TB3(n,t)]F-TB (n,t)
T i1,* В ,V-)
- JRn;
[[5,7 + 3,8v) + 4е-ст- TB'(n,t)\ -I % ■ X ' (1)
I(In,I„,p,A,Y,U, г ; =
, cos А T , /1 + cos Y) , , , . (1-cosY)
In (n, t)-- + 1Д (n, t)----i- + p(n) I (In (n, t) + 1Д (n, t)\- У
cos U'
т>
Трооп ( А) = (1 - Ртр ( A))exp(-K--);
р cos А
исФУ = Nnc -исфэ(T,I,J);
J = N - J -S ■
J СФУ N ПР J 1^СФЭ ■
P = U - J
1 СФУ U СФУ J СФУ ,
где иСФЭ - напряжение СФЭ, В;А - безразмерный параметр кривизны ВАХ; к - постоянная
Больцмана, Дж/К; Т - рабочая температура СФЭ, К; q - заряд электрона, Кл; I, I' - интенсивность солнечного излучения, падающая на поверхность СФЭ и отнесенная к единице по-
верхности фотобатареи, Вт/м2; z - коэффициент пропорциональности плотности фототока к интенсивности солнечного излучения, Ам2/Втсм2; J - плотность тока, А/см2; , -
напряжение холостого хода (В) и ток короткого замыкания (А) СФЭ, измеренные при стандартных условиях освещения (I0 = 1000Вт/м2, Т0 = 298,15Kj; Rn- внутреннее электрическое сопротивление (последовательное), приведенное к единице площади, препятствующее протеканию тока в структуре СФЭ и через контакты с токоотводами, Омсм2; к - безразмерный коэффициент, зависящий от типа солнечного элемента; ß1,, ßv, - температурные коэффици-
л
енты тока и напряжения, К ; JK3 - плотность тока короткого замыкания, А/см2; ц - интегральный коэффициент поглощения солнечного излучения фотобатареей; щ - КПД фотобатареи, полученный при стандартных условиях испытания; % - температурный градиент, зависящий в
л
основном от типа и конструкции фотобатареи, К ; (5,7+3,8v) - размерное соотношение Мак-Адамса для расчета коэффициента конвекции, Вт/(м2-К4); v - скорость ветра, м/с; s- интегральный коэффициент излучения фотобатареи; & - постоянная Стефана - Больцмана, Вт/(м2К4); ТВ - температура окружающего воздуха, К; n - порядковый номер дня года, отсчитанный от 1 января; t - время, ч; F - отношение площади плоской фотобатареи (тыльной и лицевой) к площади освещаемой поверхности; 1П, 1Д, - интенсивности прямого и рассеянно-
о
го (диффузного) солнечного излучения на горизонтальную поверхность, Вт/м2; Л, О, Y - углы, определяющие пространственную ориентацию наземных СФУ, град.; р - коэффициент отражения (альбедо) поверхности Земли и окружающих тел; тпроп, ротр - коэффициенты пропускания и отражения солнечного излучения защитной поверхностью фотобатареи; К - показатель поглощения солнечного излучения защитной поверхностью фотобатареи, см-1; В - толщина защитной поверхности фотобатареи, см; иСФУ - напряжение СФУ, В; JC0y - ток нагрузки СФУ, А; жяс, Nnp - число последовательно и параллельно соединенных СФЭ в фотобатарее, В; 5СФЭ - площадь СФЭ, м2; рСФЭ - мощность СФУ, Вт.
Углы, определяющие пространственную ориентацию наземных СФУ для рассматриваемых трех вариантов различно ориентируемых установок, равны:
- 1 вариант - базовый: Л = £ , О = в, Y = ß;
- 2 вариант: Л = i , О = в, Y = ß;
- 3 вариант: Л = О = Y = в,
где £ - угол между направлением на Солнце (СО) и нормалью к наклонной поверхности (N), ориентированной на юг (рис. 1), в град.; в - угол между направлением на Солнце (СО) и зенит (OZ), в град.; i - угол между направлением на Солнце (СО) и нормалью к наклонной поверхности (N), ориентирующейся на Солнце по азимуту, в град.
Данные параметры определяются по следующим формулам:
cos £ = sin(ф—ß)sinS + cos(ф—ß) cos 8 cos со; (2)
cos в = sin 8 sin ф + cos 8 cos ф cos о; (3)
cos i = sin ß[cos 8(sin ф cos an cos о + sin an sin с) —
(4)
—sin 8 cos ф cos an] + cos ß [cos 8 cos ф cos со + sin 8 sin ф], где ф - широта местности, в град.; 8 - склонение Солнца, определяется по формуле Купера, в град; о - часовой угол движения Солнца, в град; ая - азимут приемника.
Рис. 1. Углы, определяющие пространственную ориентацию наземных СФУ
Расчет температуры окружающего воздуха производился с применением аналитической зависимости изменения температуры воздуха в течение времени, учитывающей среднесуточную температуру воздуха, суточную амплитуду температуры воздуха, период изменения температуры воздуха, время наступления максимума температуры воздуха [5].
Разработанная математическая модель СФУ была реализована в программной среде имитационного моделирования Matlab/Simulink. Получены свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ [2, 3].
Для проведения исследований в полевых условиях на физической модели, с целью подтверждения адекватности работы математической модели и составленных программ для ЭВМ, была разработана экспериментальная СФУ, отвечающая требованиям методики проведения экспериментов.
Основными конструктивно-техническими требованиями, предъявляемыми к экспериментальной СФУ, являлись возможность фиксации положения фотобатареи под определенными углами к горизонту, наличие систем азимутального и зенитального слежения за Солнцем. Характеристики СФЭ экспериментальной СФУ, необходимые для проведения математического и имитационного моделирования:
JoK3 = 37 мА/см2; Uoxx = 600 мВ; R = 1 Ом см2; S = 98,92 см2; рг = 0,0006оС-1; = -0,0032°С-'; т/о = 14%; T0 = 298,15К; SфБ = 0,4556м2; l = 0,67 м; NffC = 36; Nnp = 2; ^ = 0,8; = 0,98; F = 2; X = 0,004К-1; ех и г2 = 0,98; К = 0,04 см-1.
Для созданной экспериментальной СФУ была разработана принципиальная электрическая схема блока управления с силовым модулем (система слежения за Солнцем), собранная на базе микроконтроллера PIC16F877A. Для данного микроконтроллера и его аналогов была написана программа на языке Р1С BASIC в среде программирования Proton IDE. Программа обеспечивает работу системы, автоматически ориентирующейся на Солнце, состоящей из двух сервоприводов, обеспечивающих азимутальное и зенитальное слежение за Солнцем. Программа отключает сервоприводы после заката Солнца, во избежание ошибочных включений при появлении освещенности от иных источников, и включает их после рассвета для самонаведения и последующей ориентации системы на Солнце [1].
Экспериментальная СФУ оснащена измерительным комплексом с многоканальной регистрацией результатов измерений (напряжения, тока, температуры фотобатареи и интенсивности солнечного излучения на ее поверхности), их обработкой на ЭВМ при помощи программных продуктов научно-производственного предприятия ZetLab. На рис. 2 приведен общий вид экспериментальной СФУ.
Рис. 2. Общий вид экспериментальной СФУ с измерительным комплексом: 1 - СФУ с панелью управления и контроля с измерительными приборами; 2 - реостат; 3 - ПК; 4 - аналогово-цифровой преобразователь; 5 - блок датчиков тока и напряжения с усилителем сигнала; 6 и 8 - датчики
температуры; 7 - датчик освещенности; 9 - психрометрическая будка; 10 - термометр
Экспериментальные исследования в полевых условиях включали в себя снятие ВАХ и ВВХ СФУ с одновременным производством метеорологических наблюдений (измерение температуры воздуха, интенсивности солнечного излучения на горизонтальную поверхность и скорости ветра) и измерением интенсивности суммарного солнечного излучения на поверхности фотобатареи и температуры СФЭ.
Результаты исследования и их обсуждение
На начальном этапе исследований было проведено тестирование разработанной имитационной модели СФУ путем сравнения ВАХ и ВВХ, снятых с созданной СФУ в полевых условиях (экспериментальные), с характеристиками, полученными с помощью имитационной модели (теоретические).
Сопоставление теоретических и экспериментальных ВАХ и ВВХ для трех вариантов пространственной ориентации СФУ показало, что их расхождение не превышает 6,3%. Это позволяет использовать разработанную математическую модель и составленную на ее основе имитационную модель СФУ в практических расчетах и считать ее адекватно отражающей выходные энергетические характеристики СФУ.
Экспериментальное определение исследуемых параметров СФУ в естественных условиях требует проведения ряда экспериментов, напрямую зависящих от погодных условий, дня года и времени суток, и сопряжено с иными организационными сложностями. Поэтому последующие исследования проводились с помощью разработанной имитационной модели СФУ, позволяющей по сравнению с естественным экспериментом обеспечить значительное уменьшение трудоемкости, учесть влияние на характеристики СФУ большого числа параметров и сократить затраты времени и средств на проведение необходимых расчетов и исследований.
На рис. 3 представлены дневные выработки мощности для трех указанных ранее вариантов пространственной ориентации СФУ в природно-климатических условиях с. Кушнаренко-во РБ с использованием данных многолетних климатических наблюдений, представленных в климатических справочниках в середине лета, осени, зимы и весны.
Исследования показали, что вырабатываемая в течение светового дня 15 апреля мощность СФУ с азимутальным слежением на 28% больше мощности, вырабатываемой стационарной системой (рис. 3, а). Система с полной ориентацией на Солнце эффективнее азиму-
тальной на 3,5%. Соответственно, для 15 июля (рис. 3, б) мощность СФУ с азимутальным слежением на 34% больше стационарной системы. Полная ориентация СФУ увеличивает выходную мощность на 55% по сравнению со стационарной системой и на 16% по сравнению с азимутальным слежением. Для 15 октября (рис. 3, в) применение азимутального слежения увеличивает выходную мощность на 5%, а полное слежение - на 8,5% по сравнению со стационарной системой. 15 января (рис. 3, г), соответственно, на 5% и 17%.
Рис. 3. Графики зависимости вырабатываемой мощности СФУ, установленной в с. Кушнаренково РБ:
а - для 15 апреля; б - для 15 июля; в - 15 октября; г - 15 января локального солнечного времени; 1 - СФУ без системы слежения за Солнцем, ориентированная на юг и установленная к горизонту под оптимальным углом Р ; 2 - СФУ, установленная под оптимальным углом Р к горизонту и имеющая систему слежения за Солнцем по азимуту; 3 - СФУ с полным слежением за Солнцем
На рис. 4 представлена диаграмма значений месячной выработки электрической энергии СФУ с единичной площадью в 1 м2 в течение года без систем и с системами слежения за Солнцем, полученных при имитационном моделировании в тех же климатических условиях. Использование систем слежения за Солнцем в СФУ позволит увеличить вырабатываемую электрическую энергию в течение года на 27% при ориентации на Солнце по азимуту и на 37% при полной ориентации на Солнце по сравнению с выходной мощностью стационарных СФУ.
60 50 40 30 20 =* 10 0
Рис. 4. Выработка электрической энергии: 1 - СФУ без системы слежения за Солнцем, ориентированная на юг и установленная к горизонту под оптимальным углом Р ; 2 - СФУ, установленная под оптимальным углом Р к горизонту и имеющая систему слежения за Солнцем по азимуту; 3 - СФУ с полным слежением за Солнцем
со
О
Итак, разработана математическая модель СФУ, реализованная в программной среде имитационного моделирования Matlab/Simulink, позволяющая получать ВАХ и ВВХ, зависимости вырабатываемой мощности от времени с учетом комплексных воздействий, приводящих к изменению выходных энергетических показателей СФУ. Разработана и создана экспериментальная СФУ, оснащенная современным измерительным комплексом с многоканальной регистрацией результатов измерений и их обработкой на ЭВМ. На примере природно-климатических условий с. Кушнаренково РБ проведены исследования эффективности применения в СФУ систем слежения за Солнцем, выявившие, что выработка электрической энергии в течение года увеличивается на 27% при слежении по азимуту и на 37% при полном слежении за Солнцем по сравнению с выходной мощностью стационарных СФУ.
Статья поступила 20.07.2015 г.
Библиографический список
1. Ахметшин А.Т., Ярмухаметов У.Р. Экспериментальная солнечная фотоэлектрическая установка // Актуальные проблемы энергообеспечения предприятий: материалы междунар. науч.-практ. конф., проводимой в рамках XIV российского энергетического форума. Уфа: Башкирский ГАУ, 2014. С. 24-29.
2. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014660755. Программа расчета суммарной интенсивности солнечного излучения на горизонтальную, наклонную с ориентацией на юг, полностью или азимутально ориентируемую на Солнце поверхности и определения температуры окружающего воздуха / А.Т. Ахметшин. № 2014618615; заявл. 26.08.14; зарегистрировано 15.10.2014 в Реестре программ для ЭВМ.
3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014661913. Расчетно-графическая программа для построения энергетических характеристик солнечного элемента и фотоэлектрического модуля / А.Т. Ахметшин, У. Р. Ярмухаметов. № 2014619524; заявл. 23.09.14; зарегистрировано 18.11.2014 в Реестре программ для ЭВМ.
4. Ярмухаметов У.Р., Ахметшин А.Т. Имитационное моделирование режимов работы солнечных установок с фотоэлектрическими преобразователями в зависимости от внутренних и внешних факторов в среде MATLAB/Simulink // Вестник КрасГАУ. 2014. № 8. С. 195-200.
5. Ярмухаметов У.Р., Ахметшин А.Т. Определение значений интенсивности солнечного излучения и температуры окружающей среды для моделирования работы солнечных установок // Наука молодых - инновационному развитию АПК: материалы VI Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых (10 декабря 2013 г.). Уфа: Башкирский ГАУ, 2013. С. 211-214.
УДК 621.313
УПРАВЛЕНИЕ СООТНОШЕНИЕМ ТОПЛИВО - ВОЗДУХ В КОТЛОАГРЕГАТАХ ТЭС ПРИ РЕГУЛИРОВАНИИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДУТЬЕВЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ МЕТОДОМ ДРОССЕЛИРОВАНИЯ
© Г.Г. Гоппе1, А.А. Луконин2, В.Е. Павлов3
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Разработана математическая модель системы управления соотношением топливо - воздух для котельного агрегата (КА), работающего на твердом топливе. Показано, что при изменении нагрузки КА вместо управления соотношением топливо - воздух целесообразно управлять соотношением кислород - дымовые газы. Показано, что между двумя этими показателями имеется прямая зависимость. Она сохраняется не только при изменении
1
Гоппе Гарри Генрихович, доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: 389095, e-mail: [email protected]
Goppe Garry, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Electric Drive and Electric Transport, tel.: 389 095, e-mail: [email protected]
2Луконин Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: 405128, e-mail: [email protected]
Lukonin Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Drive and Electric Transport, tel.: 405128, e-mail: [email protected]
3Павлов Владимир Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: 89149306162, e-mail: [email protected]
Pavlov Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Drive and Electric Transport, tel.: 89149306162, e-mail: [email protected]
