CC BY
63
DOI https://doi.org/10.46845/2541 -8254-2021-1(28)-17-17 УДК 621.311.25
РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ КАЛИНИНГРАДСКОГО МОРСКОГО РЫБНОГО ПОРТА
М. Осыка, студент группы 20-ЭЭм, e-mail: maksim.osyka1@gmail.com ФГБОУ ВО «Калининградский государственный технический университет»
А.Ю. Никишин, канд. техн. наук, доц., e-mail: nikduke@klgtu.ru ФГБОУ ВО «Калининградский государственный технический университет»
В данной статье выполнен анализ влияния температуры нагрева солнечных модулей на выработку электроэнергии в условиях, приближенных к Калининградскому морскому рыбному порту. Рассмотрены несколько способов расчета мощности солнечных модулей с учетом температуры нагрева, выполнено сравнение результатов расчетов и выбран самый подходящий из них. Исследована возможность использования фотоэлектрических установок в Калининградском морском рыбном порту для обеспечения его потребности в электроэнергии.
Ключевые слова: солнечная энергия, возобновляемые источники энергии (ВИЭ), солнечные панели, температура нагрева, выработка электричества, потери электроэнергии, эффективность солнечных модулей
ВВЕДЕНИЕ
В последних планах по развитию энергетики в России особое внимание уделяется использованию возобновляемых ресурсов для производства электроэнергии. Постановление Правительства РФ № 1298 предлагает развитие «зеленой энергетики» для обеспечения потребности в электроэнергии промышленных предприятий и удаленных труднодоступных районов. Однако в перспективе следует рассмотреть возможность электроснабжения от ВИЭ и для портов, что приведет к сокращению вредных выбросов и экономии ископаемых ресурсов [1]. В качестве основного возобновляемого источника для энергопитания устьевых портов следует рассматривать солнечную энергию, так как сила ветра вблизи и на территории подобных портов небольшая [1]. Поэтому актуальной задачей для исследования является выбор наиболее подходящего и эффективного оборудования для фотоэлектрических станций, размещенных в портах.
Активное развитие солнечной электроэнергетики в последнее время способствует заметному прогрессу в области технологий проектирования и производства оборудования для солнечных станций. Широкое распространение на рынке фотоэлектрического оборудования получили солнечные модули с монокристаллической структурой, прежде всего, из-за их низкой стоимости. Однако к существенным недостаткам этих панелей, в сравнении с произведенными по более современным технологиям, например, по технологии ШТ, можно добавить меньшую эффективность при недостаточном уровне освещенности, а также значительное снижение мощности при нагревании панели свыше ее номинальной температуры [2]. Данные особенности не всегда учитываются при оценке потенциала солнечной энергии, что может приводить к неточности в оценочных расчетах [1].
Это обусловлено тем, что при нагревании панелей увеличивается их внутреннее электрическое сопротивление и рабочее напряжение падает [3]. На рис. 1 представлена зависимость вольт-амперной характеристики солнечного модуля от температуры нагрева.
0.2 0.3 0.4 0.5 Напряжение, В
Рисунок 1 - Зависимость вольт-амперной характеристики солнечного модуля
от температуры нагрева
Этот эффект производители панелей стараются минимизировать, однако устранить его окончательно при современном уровне развития технологий невозможно. Главным показателем зависимости эффективности солнечных панелей от температуры нагрева является температурный коэффициент. Температурный коэффициент -это отношение теряемой мощности к температуре нагрева модуля. Средний температурный коэффициент для монокристаллических модулей 0,45 %/°С (т. е. при повышении температуры панели на каждый градус от номинального значения выработка электричества уменьшается на 0,45 %), у более современных Ш1Т модулей этот показатель равен приблизительно 0,29 %/°С [2].
Так как Калининградский морской рыбный порт находится в умеренном климатическом поясе, температура нагрева солнечных модулей, возможно, не будет являться значимым фактором, определяющим эффективность их работы и заметно влияющим на технико-экономическое обоснование выбора соответствующей технологии. Поэтому исследуем перспективы использования как дорогостоящих солнечных панелей с высоким температурным коэффициентом, так и более дешевых - с низким, чтобы оценить влияние технологического фактора на оптимизацию по технико-экономическим показателям и выбрать оптимальный вариант для эксплуатации в условиях, приближенных к Калининградскому морскому рыбному порту.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для решения поставленной задачи в качестве объекта исследования выбраны солнечные модули, произведенные по разным технологиям, но обязательно со схожими параметрами (номинальная мощность, ток и напряжение), так как это необходимо для корректного сравнения и анализа. Рассмотрен монокристаллический модуль компании БГЬА SilaSolar 400Вт PERC (5ВВ), один из самых распространенных модулей на рынке, который активно применяется как в частном секторе, так и для строительства крупных фотоэлектрических станций. Для сравнения выберем гетероструктурный модуль российской компании Хевел НУЪ-395/ШТ, так как этот модуль имеет схожие с SilaSolar 400Вт PERC (5ВВ) технические характеристики, кроме того, компания Хевел является мировым лидером по производству солнечных модулей данной архитектуры, а ее продукция отвечает самым
2
высоким стандартам качества. Технические характеристики обоих модулей представлены в табл. 1 [4, 5].
Таблица 1 - Технические характеристики модулей
Наименование параметра 8Иа8о1аг 400Вт РБЯС (5ББ) ШУЬ-395/Ш1Т
Номинальная мощность (Рн), Вт 400 395
Ток в рабочей точке (1трр), А 9,60 8,76
Напряжение в рабочей точке (Утрр), В 41,70 44,84
Ток короткого замыкания (18С), А 10,36 9,21
Напряжение холостого хода (Уос), В 49,80 53,18
Температурный коэффициент 18С, %/°С 0,085 0,055
Гарантийный срок службы, год 25 25
Цена, руб. 13504 18490
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью исследования является определение эффективности использования монокристаллических и гетероструктурных фотоэлектрических модулей в условиях территории с низкой инсоляцией, с учетом соответствующих данным технологиям температурных коэффициентов. Для этого рассчитаем выработку электроэнергии каждой панелью в течение года с учетом влияния температуры нагрева и построим их вольт-амперные характеристики, а также сравним их технико-экономические параметры. Решение данных задач позволит оценить возможности установки солнечных панелей разных технологий в условиях, приближенных к Калининградскому морскому рыбному порту.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для данного исследования использовался метод математического моделирования работы солнечных панелей с применением лицензированного программного обеспечения рубуб1 [6], разрешенного для использования в исследовательских целях. С помощью подробного контекстного меню справки, в котором объясняются используемые процедуры и модели, рубуб1 может импортировать метеоданные, а также личные данные из множества различных источников. Кроме того, программа проста в применении, обладает широкими функциональными возможностями и активно используется для проектирования фотоэлектрических систем во всем мире.
Таким образом, возможности этого современного программного обеспечения позволили создать математическую модель для расчета работы фотоэлектрических систем в заданных для исследования условиях.
Занесем паспортные данные выбранных солнечных модулей для расчета в программе рубуб1 рис. 2 и 3.
Далее выберем место установки солнечных модулей, занесем координаты расположения Калининградского морского рыбного порта для нахождения метеоданных. Будем использовать математические модели для расчета требуемых величин.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В табл. 2 показаны результаты моделирования работы солнечных модулей при постоянной инсоляции в 1000 Вт/м2: максимальная, заложенная производителем, мощность, выдаваемая солнечным модулем, которая не зависит от дальнейшего увеличения инсоляции (точка максимальной мощности), и падение эффективности модулей в зависимости от увеличения температуры нагрева.
Анализ результатов моделирования показывает, что при температурах свыше номинальной солнечные модули ШУЪ-395/ШТ теряют 3,54-6,56 % выработки электроэнергии от номинальной мощности, а солнечные модули SilaSolar 400Вт PERC (5ВВ) -5,67-11,4 %.
На графике рис. 4 показаны результаты расчетов средней температуры нагрева солнечных модулей по времени светового дня в течение года, расчеты произведены с учетом средней облачности, прозрачности атмосферы, скорости ветра и температуры воздуха.
Definition of a PV module .Basic data j] Size; and Technology | Model parameters | Additional Data | Commercial] Graphs [h|t395
□
X
Model
File name |111HH11.PAN ? I Custom parameters definition
Manufacturer | hevel Data source Mauiactuer
Nom. Powell395.0 Wp Tol. ■/'+ |N/A |5.0 % Technology [HIT [at STC)
"3I
The nominal power doesn't match the Vmpp Impp data (discrepancy of -0.56%).
This will distort the Performance Ratio result (FVsyst usually accepts up to 0.2X)
TRef [25~
Manufacturer specifications oi other Measurements
Reference conditions: GRef 11QOO Wre'
A OpencircuitVoc 153.18 V A
rvA/T
arc
'I
Short-circuit current Max Power Point: Temperature coefficient
Isc 19.210 Impp |S. 760 mulso IsTl
Vmpp 44 84 V Hb cell« 80 in series
oi mulso 0.055
Internal model result tool
W/ttf
TOper 25
Jr -*J
Operating conditions G Oper 110ОО
Max Power Point: Pmpp 392.8 W 9 j Temper coeff. -0.30 X/'C
Current Impp 8.75 A Voltage Vmpp 44.Э V
Short-circuit current Isc E fficiency I Cels area
9 21 A N/A X
OpencircuitVoc 53.2 V /Module area 19.64 X
Model summary Main parameters ?
R shunt 500 ohm
Rsh(G=0) 2000 ohm
R serie model
R serie так. R serie apparent
Model parameters
0.23 ohm 0.24 ohm 0.45 ohm
Gamma
loRef
mruVoc
0 953
0.01 nA 141 mV/T
PP Show Optimisation
Copy to table
fir Print
X Cancel
✓ OK
Рисунок 2- Паспортные данные солнечного модуля HVL-395/HJT
Definition of a PV module
□
X
.Basic dataj] Sizes and Technology | Model parameters | Additional Data | Commercial] Graphs |
Model |SilaSolar 400Wat PERC f 5BB ] Manufacturer |SilaSolar 400 PERC f 5BB ] File name |Kita)'PAN ? | Custom parameters definition
Data source |Manriactuer
Nom. Power 400.0* Wp Tol.-/+ |N/A |3.0 fat STC)
Manufacturer specifications or other Measurements
Reference conditions: GRef [TOOO W/rrr1
Technology Si-mono
TRef [Í5~
Short-circuit current Мак Power Point: Temperature coefficient
Isc |10360 A OpencircuitVoc 149.80
Impp 19.600 A
mulsc [ЁГв mA/T
or mulso 10.085 X/'C
•cV V
Vmpp 141.70 N h cells 80 in series
Internal model result tool
Эт-И
Operating conditions GOper 11000 -7-j W/rrr TOper |25
Мак Power Point: Pmpp 400.3 W ? Temper coeff. -0.3Б %1'C
Current Impp 9.61 A Voltage Vmpp 41.7 V
Short-circuit current Isc 10.3G A OpencircuitVoc 49.8 V
Efficiency / Cels area N/A X /Module area 20.24 X
Model summary Main parameters R shunt 500 ohm
Rsh(G=0) 2000 ohm
R serie model
R serie man. R serie apparent
Model parameters
0 01 ohm 0.33 ohm 0.30 ohm
Gamma
loRef
muVoc
1 433 461.50 nA -1 60 mV/T
Щ Show Optimisation
Copy to table
a Prim
X Cancel
s/ OK
Рисунок 3- Паспортные данные солнечного модуля SilaSolar 400Вт PERC (5BB)
Температура нагрева, °С 10 25 40 55
Солнечная панель НУЪ-395/ШТ
Точка максимальной мощности, Вт 404,5 392,9 381,2 369,1
Солнечная панель 8йа8о1аг 400Вт РБЯС (5ББ)
Точка максимальной мощности, Вт 421,7 400,3 378,4 356
Средняя температура нагрева модуля Рисунок 4 - Средняя температура нагрева солнечных модулей по времени светового дня
Суммировав часы с соответствующим нагревом модулей поданным графика рис. 4, получено, что солнечный модуль в условиях, приближенных к Калининградскому морскому рыбному порту, работает 2286 ч в году, не превышая номинальной температуры в 25 °С, и 1549 ч - выше номинальной температуры, т.е. с потерями выработки на нагрев.
На рис. 5 показана выработка электроэнергии солнечными панелями SilaSolar 400Вт PERC (5ВВ) и ИУЬ-395/ШТ в течение года с учетом потерь.
Рисунок 5 - Выработка электроэнергии солнечными панелями по месяцам
Как видно из результатов расчетов, оценочная выработка фотоэлектрического модуля HУL-395/HJT составляет 400 кВтч электроэнергии за год, а модуля Si1aSo1ar 400Вт PERC (5BB) - 386 кВтч при одинаковых условиях. На рис. 6 показаны расчеты эффективности солнечных модулей обоих типов по месяцам.
Время годэ
IПолезная энергия для НУ1_-395/НЛ = 82,7% «Потери энергии НУ1_-395/НЛ = 13,1%
IПолезная энергия для 5Иа5о1аг 400Вт= 78,8% «Потери для 5Иа5о1аг 400Вт = 17,1%
Рисунок 6 - Производительность панелей в течение года
Из результатов расчетов следует, что средняя производительность панели Н^-395/ШТ за год 82,7 %, а панели Si1aSo1ar 400Вт PERC (5ББ) -78,8 %.
На рис. 7 показана энергетическая диаграмма потерь выработки электричества обеими панелями, рассчитанная в программе рубуб1.
Рисунок 7- Энергетическая диаграмма солнечных панелей
Как видно из диаграммы, у представленных панелей различаются потери на нагрев и потери от уровня освещенности. Солнечные модули Хевел превосходят по данным показателям монокристаллические панели. Однако для технико-экономического обоснования выбора панелей следует учитывать также их стоимость.
Результат расчетов технико-экономического обоснования представлен в табл. 3.
Таблица 3 - Технико-экономическое обоснование выбо ра панелей
Параметры Si1aSo1ar 400Вт РБЯС (5ББ) HУL-395/HJT
Цена, руб. 13504 18490
Количество произведенной энергии в год, кВтч 386 400
Расчетная стоимость 1 кВтч в год 34,98 46,225
Окупаемость лет при цене 4,2 Руб за 1 кВтч 8,3 11
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты проведенных исследований показали, что в климатических условиях расположения Калининградского морского рыбного порта гетероструктурные солнечные модули работают эффективнее, их производительность выше, а потери в выработке электроэнергии меньше. Однако с учетом стоимости модулей с монокристаллической структурой их эксплуатация оказывается более экономически выгодной, несмотря на технологическое отставание.
Рассчитанные показатели производительности солнечных модулей в условиях, приближенных к Калининградскому морскому рыбному порту, позволяют оценить использование фотоэлектрических установок в порту для обеспечения его потребности в электроэнергии как достаточно эффективное, так как коэффициент производительности исследованных модулей находится в пределах от 78 до 82 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Никишин, А.Ю. Проблемы интеграции возобновляемых источников энергии в системы электроснабжения морских устьевых портов / А.Ю. Никишин, И.Е. Кажекин, М.С. Харитонов // Морские интеллектуальные технологии. - 2020. - №4-2(50). - С. 32-38.
2. Бессель, В.В. Изучение солнечных фотоэлектрических элементов: учебно-методическое пособие / В.В. Бессель, В.Г. Кучеров, Р.Д. Мингалеева. - Москва: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, 2016. - 90 с.
3. Возобновляемые источники энергии: справочник модуля / под ред. В.Ф. Белея [и др.]. - Калининград: ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2015. - 257 с.
4. Солнечные модули Si1aSo1ar 400Вт PERC (5ББ) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://e-solarpower.ru/solar/solar-panels/mono-panel/solnechnaya-batareya-silasolar-400у^регс-5ЬЬ/ (дата обращения: 07.01.2021).
5. Солнечные модули HУL-395/HJT[Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.hevelsolar.com/kz/catalog/solnechnye-moduli/modul-fotoelektricheskii-hvl-395hjt/ (дата обращения: 07.01.2021).
6. Программа обеспечения PVsyst [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.pvsyst.com/ (дата обращения: 08.01.2021).
CALCULATION OF THE EFFICIENCY OF SOLAR PANELS IN THE CONDITIONS OF THE KALINIGRAD SEA FISHING PORT
M. Osyka, student e-mail: maksim.osyka 1 @gmail.com Kaliningrad State Technical University
A.Y. Nikishin, Associate Professor e-mail: nikduke@klgtu.ru Kaliningrad State Technical University
This article has analyzed the influence of the heating temperature of solar modules on power generation in conditions close to the Kaliningrad Sea Fishing Port. Several methods of calculating the power of solar modules taking into account the heating temperature were considered, the calculation results were compared and the most suitable one was selected. The possibility of using photovoltaic installations in the Kaliningrad sea fishing port to meet its demand for electricity has been investigated.
Key words: solar energy, renewable energy sources, solar panels, heating temperature, electricity generation, power losses, solar module efficiency
