CC BY
257
УДК 621.31
Ю.А. Шиняков, Ю.А. Шурыгин, О.Е. Аркатова
Повышение энергетической эффективности автономных фотоэлектрических энергетических установок
Проведены теоретические исследования повышения энергетической эффективности автономных фотоэлектрических энергетических установок при реализации режима экстремального регулирования мощности солнечных батарей.
Ключевые слова: автономная фотоэлектрическая энергетическая установка, солнечная батарея, аккумуляторная батарея, энергетическая эффективность, экстремальное регулирование мощности солнечных батарей.
Коэффициент преобразования падающей солнечной энергии современных солнечных фотоэлектрических энергетических установок не велик. В ясную солнечную погоду на каждый квадратный метр площади, перпендикулярной к солнечному вектору, падает примерно 1 кВт солнечной энергии, однако с выхода автономных фотоэлектрических энергетических систем и установок к потребителю поступает значительно меньшее количество энергии. Факторами, значительно уменьшающими количество генерируемой энергии, являются невысокий реальный средний КПД кремниевых фотоэлементов массового производства (12-14%) [1] и недоиспользование генерирующих возможностей выбранной солнечной батареи. В итоге суммарная энергетическая эффективность большинства фотоэлектрических энергетических установок и систем электропитания не превышает 5-10%.
Энергетическая эффективность (Кэ) аналитически выражается отношением разности между энергией, выработанной солнечной батареей (Жсб) при принятом в системе законе регулирования напряжения солнечной батареи (СБ), и потерями энергии в преобразующих устройствах (ДЖп) и АБ (ДЖаб) к энергии, которую может выработать СБ при непрерывном регулировании напряжения СБ в точке максимальной мощности (ЖСБмакс)
Т Т
Кэ = Жсб -ДЖп -ДЖаб)/Жсб макс = Жн/Жб макс = JРнdt/JРсб ма^,
0 0
где Жн - энергия, доставляемая в нагрузку; РсБмакс - экстремальное текущее значение мощности СБ; Рн - текущее значение мощности нагрузки; T — период функционирования.
Недоиспользование солнечных батарей по энергии (не менее чем на 30-50%) объясняется тем, что большинство энергетических систем и установок не имеют систем принудительного охлаждения и непрерывного автоматического слежения панелей за Солнцем, а также систем регулирования максимума мощности по вольт-амперной характеристике (ВАХ) солнечной батареи.
Отсутствие систем непрерывного автоматического слежения панелей за Солнцем и их принудительного охлаждения объясняется тем, что во многих случаях панели солнечных батарей располагаются на крышах домов и реализация таких систем технически затруднена и нецелесообразна экономически. В случае расположения панелей солнечных батарей на открытых площадках - неуверенностью потребителей в целесообразности и экономической выгоде их использования, так как техническая реализация сложна и не определены области рационального использования систем непрерывного автоматического слежения за Солнцем в зависимости от уровня выходной мощности или площади солнечной батареи.
Максимальный отбор мощности от СБ возможен только при осуществлении непрерывного регулирования напряжения СБ в оптимальной рабочей точке (точке максимума мощности). Такие системы с экстремальными регуляторами мощности солнечных батарей, разработанные впервые в России, в настоящее время широко используются в космических энергетических системах [2, 3]. В наземных российских солнечных фотоэлектрических энергетических системах и установках экстремальное регулирование мощности солнечных батарей практически не применяется.
Из зарубежных разработок известны контроллеры заряда и разряда аккумуляторных батарей с реализацией функции экстремального регулирования мощности солнечных батарей - так называемые контроллеры МРРТ (Maximum Power Point Tracking) - Steca
МРРТ 2010 (Германия), О^Васк Flex-60 (80) МРРТ и MorningStar SunSavtr МРРТ (США), экстремальный регулятор Xantrex XW-MPPT60-150 [4].
Это достаточно новые разработки, они предлагаются на российском рынке, однако детально принципы построения, схемотехнические решения и степень повышения энергетической эффективности при реализации режима экстремального регулирования мощности солнечных батарей не показываются.
Таким образом, при проектировании и создании современных эффективных автономных фотоэлектрических энергетических установок должны решаться задача разработки фотопреобразователей с повышенным КПД и ряд системных вопросов проектирования фотоэлектрических систем и энергетических установок с целью существенного повышения их энергетической эффективности.
Творческим коллективом Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) по государственным контрактам в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы начата разработка автономной энергетической установки с системой экстремального регулирования мощности (ЭРМ) солнечных батарей (точность регулирования экстремума мощности солнечной батареи должна быть не ниже 98%) и непрерывным автоматическим слежением фотоэлектрических панелей за Солнцем.
Из проведенного предварительного анализа энергетической эффективности систем автоматического слежения за Солнцем следует, что эффективность для Томска и Томской области относительно горизонтального расположения фотоэлектрических панелей составляет:
- при выставлении солнечной батареи под углом, равным широте местоположения, -20%;
- при применении одноосевой системы слежения за Солнцем - 42%;
- при применении двухосевой системы слежения за Солнцем - 51%.
В среднем, для различных мест расположения автономных фотоэлектрических энергетических установок (Иркутск, Ташкент, Санкт-Петербург, Якутск, Томск) повышение энергетической эффективности за счет применения систем слежения за Солнцем повышается на 31% для одноосевых систем и на 46% для двухосевых.
Рассмотрим степень повышения энергетической эффективности автономных фотоэлектрических установок при реализации режима экстремального регулирования мощности солнечных батарей.
Эффект от реализации данного режима регулирования зависит от диапазона изменения рабочей температуры панелей солнечных батарей. Это объясняется тем, что солнечные батареи автономных фотоэлектрических энергетических установок, представляющие собой параллельно-последовательное соединение кремниевых фотоэлементов, используются при значительно изменяющихся условиях эксплуатации. Они сильно подвержены влиянию окружающей среды. Их вольт-амперные характеристики отличаются нелинейностью и нестабильностью. Вольт-ваттные характеристики (ВВХ) имеют ярко выраженный максимум генерируемой мощности, положение которого существенно изменяется от условий эксплуатации (ресурса, температуры, освещенности). При изменении рабочей температуры от плюс 70 °С до минус 30 °С напряжение оптимальной рабочей точки кремниевой солнечной батареи увеличивается ориентировочно в 1,5 раза (напряжение фотоэлемента изменяется в диапазоне 0,5-0,75 В) [5]. Ток солнечной батареи незначительно зависит от температуры.
В наземных автономных фотоэлектрических энергетических установках преимущественно используются простые контроллеры тока заряда и разряда аккумуляторных батарей (АБ), которые просто отключают источник энергии (СБ) при достижении напряжения на аккумуляторной батарее примерно 14,4 В (для АБ номинальным напряжением 12 В) [4]. При снижении напряжения на АБ примерно до 12,5-13 В снова подключается солнечная батарея, и заряд возобновляется. В таких системах напряжение на СБ определяется напряжением на АБ в конкретный момент времени и зависит от степени заряженности АБ.
Очевидно, что в режиме заряда в таких системах рабочее напряжение СБ (равное напряжению АБ) практически никогда не совпадает с оптимальным, соответствующим режиму генерирования максимальной мощности, так как оптимальное напряжение максимально нагретой на солнце СБ (например до +70 °С) не должно быть менее максимального зарядного напряжения АБ (в рассматриваемом случае 14,4 В). В противном случае солнечная батарея не будет отдавать энергию в аккумуляторную батарею.
Таким образом, солнечная батарея пропорционально недоиспользуется по мощности при всех других рабочих температурах фотоэлектрических панелей, отличных от максимальной расчетной температуры (например, соответствующей температуре +70 °С).
Расчет проведем для типовой солнечной батареи, состоящей из двух модулей КСМ-160, изготовленной в ОАО «Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов» (НИИПП, г. Томск).
Технические характеристики модуля КСМ-160. Габаритные размеры - 1585x805x34 + 2 мм. Масса (без упаковки) - 15 кг. Электрические характеристики при стандартных условиях (1000 Вт/м2 при +25 °С): Рмакс = 160 Вт + 5%; и (при Рмакс) = 35,0 В + 5%; ихх = 43 В + 5%; 1кз = 5 А + 5%; I (при Рмакс) = 4,5 А + 5%. Температурный диапазон от -40 до +85 °С.
Построим ВАХ и ВВХ солнечной батареи, состоящей из двух модулей КСМ-160 при различных температурах фотоэлектрических панелей (рис. 1).
В связи с существенной сложностью выражений, описывающих ВАХ реальной СБ [5], семейство характеристик построено с использованием достаточно простой математической модели СБ, где ВАХ задана тремя характерными точками: напряжением холостого хода ихх, током короткого замыкания 1кз, оптимальными значениями тока 1опт и напряжения иопт [6]. Уравнение ВАХ СБ при заданной температуре и освещенности по этой мето-
дике имеет вид
I А
11.1х'
I = 1к
и—и
1о
1 — (1 — ) ио -ихх 1кз
^выхЗт
1 | I I I I | I I I I | I I I I | г
11Н1Н111111НЙН1шМ11|кЬ'
2 4 Б В 10 12 14 1Б 10 20 22 24 26 20 30 32 34 36 38 40 42 44 46
50 52 54 56 5В 6
ивых,В
Рис. 1. Вольт-амперные и вольт-ваттные характеристики СБ (два модуля КСМ-160) в температурном диапазоне -30...+70 °С
Предположим, что аккумуляторная батарея энергетической установки состоит из двух, последовательно соединенных свинцово-кислотных АБ с номинальным напряжением 12 В, нагрузка совместно с АБ способна принять всю вырабатываемую солнечной батареей мощность, контроллер, являющийся связующим звеном между СБ и АБ, или осуществляет регулирование напряжения СБ при значениях, соответствующих значениям максимальной мощности, или соединяет накоротко силовые шины СБ и АБ, аккумуляторная батарея может находиться в двух состояниях степени заряженности (Ц;б = = 24 В, иСБ = 28 В). Предположим также, что в течение всего светового дня панель освещается солнцем непрерывно, под прямым углом и с одинаковой плотностью излучения. Погодные условия, прозрачность воздуха и изменение интенсивности солнечного излучения в течение дня не рассматриваются.
Рассчитанные значения мощности, генерируемой солнечной батареей, состоящей из двух модулей КСМ-160, в температурном диапазоне -30 ...+70 °С при использовании экстремального регулирования и стабильных напряжениях на СБ, соответствующих двум состояниям заряженности аккумуляторной батареи (ЦСБ = 24 В, UСБ = 28 В), приведены в таблице.
Значения мощности
Т,°С Цхх Ц 0 1кз 10 Р исб24в р исб28в р ЭРМ
-30 52,46 43,106 9,56 8,604 226 371 371
-20 50,74 41,622 9,64 8,676 227 361 361
-10 49,02 40,142 9,72 8,748 228 351 351
0 47,4 38,668 9,8 8,82 229 341 341
10 45,58 37,198 9,88 8,892 230 331 331
20 43,9 35,733 9,96 8,964 231 320 320
30 42,14 34,272 10,04 9,036 232 310 310
40 40,42 32,817 10,12 9,108 233 299 299
50 38,7 31,366 10,2 9,18 234 288 288
60 36,98 29,920 10,28 9,252 235 277 277
70 35,26 28,479 10,36 9,324 236 266 266
Учитывая принятые допущения и расчетные данные таблицы и предположив, что энергетическая установка работает в течение светового дня с 6 до 21 ч (лето), построены графики изменения мощности, генерируемой СБ при Ц;б = 24 В (Рцсб24), Цб = 28 В (Р^шв) и иСБ = иСБо^ (РСБ Эрм) (рис. 2). Температура Т солнечной панели в течение дня изменяется линейно. В 6 ч температура панели составляет +20 °С. Максимум температуры приходится на 14 ч местного времени и составляет +70 °С. Перед заходом солнца, в 21 ч, панель имеет температуру +30 °С.
Т, °С
70 60 50 40 30 20 10 0 -10 - 20 - 30
РиСБ24 ^^
Рсб, Вт
2 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Рис. 2. Графики изменения мощности солнечной батареи при иСБ = 24 В (1- Рис,
-350
-300
-250
200
-150
-100
-50
24
t, ч
24^
Цсб = 28 В (2 - РиСБ28), ЦСБ = Ц
СБ opt
(3 - РСБ ЭРМ)* Т °С = +20 ...+70 .+30 °С
Из анализа графиков видна общая тенденция изменения выходной мощности солнечной батареи в течение дня. При стабильном напряжении на солнечной батарее (Цб = 24 В, Ц сб = 28 В) ее выходная мощность имеет неизменное значение в течение дня. Уровень вырабатываемой энергии тем выше, чем выше напряжение на АБ (выше степень заря-женности АБ). Площадь под графиками мощности соответствует значению энергии, генерируемой СБ в течение расчетного периода.
При экстремальном регулировании выходная мощность СБ значительно выше в утренние и вечерние часы, когда температура панели существенно ниже максимальной расчетной. В 14 ч выходная мощность СБ (при экстремальном регулировании) практиче-
Р
Р
Т
ски равна мощности при стабильном напряжении 28 В. Это объясняется тем, что в этот момент панели СБ прогреваются до максимального расчетного уровня +70 °С, Ucb opt понижается и приближается к 28 В.
Определим эффективность реализации режима экстремального регулирования мощности СБ, которая выражается отношением Wcb эрм / Wcb, где Wcb эрм - энергия, генерируемая СБ при регулировании напряжения СБ в точке максимальной мощности; Wcb - энергия, генерируемая СБ при стабильном напряжении на СБ, определяемом напряжением АБ. Оценочные расчеты показывают, что экстремальный регулятор повышает энергетическую эффективность на 24% в сравнении с режимом стабилизации 24 В и на 8% в сравнении с режимом стабилизации 28 В. Это в самом малоэффективном случае, когда температура панелей СБ достигает своего максимального расчетного значения +70 °С. Очевидно, что применение экстремальных регуляторов является более эффективным в весенний, осенний и зимний периоды при понижении температуры.
На рис. 3 приведены расчетные графики изменения мощности солнечной батареи при Ucb = 24 В (1- Pucb24), Ucb = 28 В (2 - Pucb28), Ucb = Ucb opt (3 - Pcb эрм) в весенний период (март).
T, °С Рсв, Вт
80
" " " _________1-300
50
!0 ?0
10 0 -10 -20 -30
РиСЕ28 РиСБ24
-200
т
-100
12 Л 5 ? 9 10 11 12 13 М 1: 18 19 20 21 22
t, ч
Рис. 3. Графики изменения мощности солнечной батареи при UCB = 24 В (1 - PU(CB24), Ucb = 28 В (2 - -uCB28); Ucb = Ucb opt (3 - -сб эрм). T, °C = -20 ...0 ... -10 °C
Из анализа графиков видно, что мощность солнечной батареи при стабильном напряжении практически не изменилась, значения выработанной энергии составит 2285 Втхч при стабильном напряжении на СБ 24 В и 2673 Втхч при стабильном напряжении на СБ 28 В. При экстремальном регулировании мощность СБ существенно возрастает, значение выработанной энергии составит 3484 Втхч. Энергетическая эффективность режима ЭРМ СБ - 52,4 и 30% соответственно.
Полученные результаты свидетельствует об эффективности метода экстремального регулирования по сравнению с системами со стабильным напряжением солнечной батареи. Его реализация, как и реализация автоматического слежения фотоэлектрических панелей за Солнцем, является наиболее действенным способом повышения энергетической эффективности автономных энергетических установок.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (мероприятия 1.1, 1.2.1, 1.2.2).
Литература
1. Солнечные фотоэлектрические модули серии ТСМ [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.solarhome.ru/ru/pv/tcm.htm, свободный (дата обращения: 22.09.10).
2. Шиняков Ю.А. Экстремальное регулирование мощности солнечных батарей автоматических космических аппаратов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королева. - 2007. - Вып. 1 (12). - С. 123-128.
3. Патент № 2101831 РФ, МКИ6 Н 02 J 7/35. Система электропитания с экстремальным регулированием мощности фотоэлектрической батареи / К.Г. Гордеев, С.П. Чер-данцев, Ю.А. Шиняков // Изобретения. - 1998. - № 1.
4. Контроллеры заряда аккумуляторов от фотоэлектрических батарей с широтно-импульсной модуляцией тока заряда [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.solarhome.ru/ru/control/index.htm, свободный (дата обращения 12.10.2010).
5. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей: пер. с англ. / Г. Раушенбах. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 360 с.
6. Привалов В.Д. Оценка эффективности применения экстремального регулятора в автономных СЭП / В.Д. Привалов, В.Е. Никифоров. - Куйбышев: КПИ, 1981.
Шиняков Юрий Александрович
Д-р техн. наук, зам. начальника научного управления ТУСУРа
Тел.: +7 (382-2) 70-15-84
Эл. почта: shua@main.tusur.ru
Шурыгин Юрий Алексеевич
Д-р техн. наук, ректор ТУСУРа Тел.: +7 (382-2) 51-05-30 Эл. почта: office@tusur.ru
Аркатова Ольга Евгеньевна
Начальник ОМК ТУСУРа
Тел.: +7 (382-2) 52-97-80
Эл. почта: arkatova@main.tusur.ru
Shinyakov Yu.A., Shurygin Yu.A., Arkatova O.E.
Increase of power efficiency of independent photo-electric power installations
Theoretical researches of efficiency increase of independent photo-electric energy installations at realization of extreme regulation mode of solar batteries power are conducted.
Keywords: independent photo-electric energy installation, the solar battery, the storage battery, power efficiency, extreme regulation of solar batteries power.
