CC BY
19
УДК 621.311.25
ОПТИМИМИЗАЦИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАНЕЛЕЙ НА ПРИМЕРЕ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ
© 2017 г. Н.М. Веселова, А.П. Панчишкин. Ю.И. Ханин
Потенциал солнечной энергии Волгоградской области может дать фору большинству стран в мире В Волгоградской области солнечная погода преобладает едва ли не в течение всего года В работе была исследована автономная система электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии, расположенная на территории лечебно-клинического корпуса Волгоградского ГАУ Целью работы являлась оценка эффекта использования автономной системы электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии в Волгоградской области Произведены эксперименты для оценки эффективности грименения солнечных фотоэлектрических панелей на территории Волгоградской области, в результате которых были получены зависимости выходной мощности от освещённости и от времени суток для контрольных дней с разными климатическими условиями в летний период года Эксперименты проводились в три характерных дня и включали в себя замеры освещенности в течение светового дня с одновременным контролем энергетических характеристик солнечных панелей, таких как выходной ток, напряжение, мощность и выработанная электроэнергия Анализ экспериментов показал, что в зависимости от погодных условий вырабатывается разное количество электроэнергии В первый день, с пасмурными погодными условиями, количество выработанной электроэнергии составило 5,1 кВт-ч; во второй день, со смешанными погодными условиями - 6,5 кВт ч; соответственно в третий день, с хорошими
погодными условиями - 6,9 кВт ч. Из этого видно, что разница выработанной электроэнергии в пасмурный день по сравнению с солнечным днем составляет 26%. Следовательно, изменение выработки электроэнергии в зависимости от погодных условий невелико и солнечные фотоэлектрические панели можно использовать на постоянной основе
Ключевые слова солнечная энергия, альтернативная энергетика, автономная система электроснабжения, возобновляемые источники энергии, солнечные панели
Considenng the Volgograd region, it can be concluded that solar energy potential of this region can give odds to most countries in the world In Volgograd region, sunny weather prevails almost all year round. In article the autonomous system of power supply on the basis of renewable energy sources, located on the territory of the medical-clinical building of the FSBEI HE «Volgograd State Agranan University», was studied The purpose of the work was to evaluate the effect of using autonomous power supply system based on renewable energy sources in the Volgograd region There were conducted experiments to evaluate the efficiency of solar PV panels in the Volgograd region, resulting in the dependence of output power on illumination and on day time for control days with different climatic conditions during the summer period of the year The experiments were conducted on three characteristic days and included measurements of illumination during daylight with simultaneous control of such energy characteristics of solar panels as output current, voltage, power and generated electricity. The analysis of the experiments showed that, depending on the weather conditions, different amounts of electricity are produced On the first day, under cloudy weather conditions, the amount of generated electricity was 5,1 kWh, on the second day under mixed weather conditions, it was 6,5 kWh; respectively on the third day, under good weather conditions, it was 6,9 kWh. From this it can be concluded that the dfference in the generated electricity on cloudy day is 26% comparing to sunny day. Consequently, the change in the electricity generation depending on weather conditions is not great and solar photovoltaic panels can be used on ongoing basis
Keywords solar energy, alternative energetics, autonomous power supply system, renewable energy sources, solar
panels.
Введение Волгоградская область по потенциалу ветровой и солнечной энергии может дать фору большинству стран в мире [1]. Судя по наблюдениям [2-4], в нашем регионе и солнечных дней в году значительно больше, и ветреная погода преобладает едва ли не в течение всего года. Но несмотря на статистику, все возможности возобновляемой энергии не используются. Для примера следует сказать, что в Германии ветровые и солнечные электростанции используются даже в небольших домохо-зяйствах [5], тогда как в нашем регионе в основном строят установки по получению тепла для подогрева воды и отопления зданий.
В связи с развитием альтернативной энергетики [6] появилась возможность дополнить существующую инфраструктуру децентрализованными системами генерации электричества и тепла, которые смогут существенно снизить потери вследствие передачи и преобразования электричества [7-11].
Методом оптимизации состава и параметров автономных систем электроснабжения можно достичь существенного снижения стоимости вырабатываемой электрической энергии. Такое направление требует относительно небольших инвестиций и дает возможность совершенствованию преобразователей энергии [12].
Волгоградский ГАУ располагает автономной системой электроснабжения лечебно-клинического комплекса на базе возобновляемых источников энергии.
Методика исследования. Структура работы рассматриваемой автономной системы электроснабжения начинается с солнечных панелей MSW 180/90. которые преобразуют поступающие на панели солнечные лучи в электрическую энергию. Далее эту энергию необходимо сохранить, для чего она передается на четыре гелиевые аккумуляторные батареи HAZE HZY12-200 напряжением 12 В, соединенные параллельно, таким образом, напряжение данной системы составляет 48 В. Для эффективной и безопасной зарядки используются контроллеры зарядки FLEXmax FM80, обеспечивающие максимальную производительность солнечных батарей.
Для последующего использования полученная электроэнергия преобразовывается посредством инверторов OutBack FX 2012ЕТ, которые трансформируют постоянное напряжение в переменное. Затем эта электроэнергия через автоматические выключатели идет на питание автономной системы.
Для корректной работы всей системы используется устройство управления МАТЕ, с помощью которого можно запрограммировать инвертор, следить за его работой и за работой зарядного устройства от солнечных батарей. Связующим элементов всех устройств автономной системы является коммутационное устройство HUB, которое обеспечивает взаимодействие зарядного устройства, инвертора и устройства МАТЕ [13].
Для полноценной работы автономной системы электроснабжения необходимо знать энергетические характеристики имеющихся нетрадиционных источников энергии, количество энергии, которую они способны выработать в нормальном режиме работы. С этой целью для солнечных панелей определялась зависимость выработанной электроэнергии относительно освещенности в течение светового дня [14].
Объектом исследования являются солнечные панели ЩМ180/90.
Целью работы является оценка эффекта использования автономной системы электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии в Волгоградской области.
Измерения производились посредством:
1) люксметра ОТ-8809А - портативный прибор для измерения освещенности с выносным датчиком, оснащен режимом регистрации;
2) контроллера зарядки РЬЕХтах РМ80-150\ЮС - устройство, позволяющее проводить необходимые измерения и снятие необходимых показаний, а также сохранять эти данные в течение 128 дней.
В три характерных дня, с различными погодными условиями, в летнее время года, были проведены экспериментальные исследования,
включающие в себя: замеры освещенности в течение светового дня с одновременным контролем энергетических характеристик солнечных панелей, таких как выходной ток, напряжение, мощность и выработанная электроэнергия. Освещенность измерялась люксметром, энергетические параметры - посредством контроллера зарядки.
Исследуемые 15 солнечных панелей установлены по направлению на юг, под углом 60е. Панели подключены параллельно по 3 панели в ветви, таким образом, суммарная мощность солнечной батареи - 2,7 кВт.
Результаты работы. Полученные экспериментальные данные позволили сделать вывод. что выходные параметры панелей в большей степени зависят от измеренной освещенности под углом к панели (освещенность под углом к панелям, к солнцу от времени показана на рисунках 1-2; зависимость выходной мощности от освещенности показана на рисунке 3). Это дало возможность для контрольных дней построить зависимости выходной мощности от времени суток (рисунки 4-6), которые имели подобный характер, что и зависимость освещённости под углом к панели от времени суток.
ш
16:48
Рисунок 1 - Зависимость освещенности под углом к панелям от времени
Анализ графиков, представленных на рисунках 1-2, показал, что из-за расположения панелей максимум освещенности приходится в утренние часы, с течением светового дня, на панелях наблюдается снижение освещенности,
в утреннее время приходит 100% освещенности от полученного нами максимума, в полдень -около 60% освещенности от полученного нами максимума, а в вечернее время - всего 10,5% от полученного нами максимума.
ьы
у = -68.344х+133,66
К= 0.2802
120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0
8 24 9 36 1048 12 00 13 12 14 24 15 36 1648
1.ч
Рисунок 2 - Зависимость освещенности под углом к солнцу от времени
По приблизительным расчетам мы можем сказать, что в среднем за сутки мы теряем около 50% освещенности на панелях.
Стоит заметить, что Волгоградская область занимает лидирующее положение по наличию солнечных энергоресурсов на территории России, продолжительность солнечного сияния в нашей области превышает 2000 часов в год [15]
4 16% 1
Таким образом, рассматриваемая фотоэлектрическая система, по предварительным расчетам, может вырабатывать 12 кВт ч в день (1), следовательно, за год может быть получено 4,5 тыс. кВт ч. Следовательно, средняя выходная мощность исследуемой автономной системы по предварительным подсчетам составляет 0,5 кВт.
2500.0
Среднее значение солнечной радиации по России составляет 4 кВт ч/м2 КПД исследуемых фотоэлектрических панелей - 16%, количество панелей - 15 единиц, их активная площадь составляет 1,27 м2. Тогда количество электроэнергии, получаемой в результате преобразования на солнечных панелях, будет определено следующим образом:
27 15 = 12,192 кВт ч.
(1)
Полученная аппроксимирующая линейная зависимость (рисунок 3) позволяет сказать, что, если в течение светового дня не будет теряться освещенность больше чем на половину, то выходная мощность исследуемых панелей может вырасти в два раза.
Зависимости выходной мощности от времени суток представлены на рисунках 4-6.
2(КН).0 1500.0
£
1000.0 500.0 0.0
♦
V = 17.058.4 + 170.84 Я3 = 0.8913 ♦ ♦
♦ * ♦
0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0
Е,, км
Рисунок 3 - Зависимость мощности от освещённости под углом к панели
Рисунок 4 - Зависимость мощности от времени суток за первый контрольный день
2»МИ).0 18<М.О 1600.0 14<И).0 1200.0 юоо.о
8(Х).0 6(Х>.0 4М.0 2(Х).()
0.0
у = 148149х3 - 235614х2 + 116596\ - 16591 К- = 0.9753
10:48
—I-I—
12:00 13:12 I, Ч
14:24
—I—
15:36
16:48
Рисунок 5 - Зависимость мощности от времени суток за второй контрольный день
= 218885л1 -337У6Ух: + 164350Х-23841
ПНИ)
Рисунок б - Зависимость мощности от времени суток за третий контрольный день
На графиках этих рисунков видно, что пики мощности приходятся на утренние часы и с течением времени мощность снижается. В аналогичные часы, по сравнению со вторым и третьим днем, характеристика выходной мощности первого дня имела нестабильный характер, наблюдался большой разброс показаний, что связано с переменными погодными условиями. Полученная зависимость мощности от времени суток зависит строго для времени суток с 9-00 до 16-30.
По результатам эксперимента также наблюдалось разное количество выработанной электроэнергии в зависимости от погодных условий. В первый день, с пасмурными погодными условиями, количество электроэнергии составило 5,1 кВт-ч; во второй день, со смешанными погодными условиями, количество электроэнергии составило 6,5 кВт-ч; соответственно в третий день, с хорошими погодными условиями - 6,9 кВт-ч. Из этого следует, что разница вырабатываемой электроэнергии в пасмурный день по сравнению с солнечным днем составляет 26%.
Стоит отметить, что максимальная величина освещенности, естественно, наблюдается при измерениях по направлению к солнцу, пик освещенности приходится на полуденное время. В свою очередь пик освещенности на солнечных панелях приходится на утренние часы, постепенно снижаясь с течением времени. Так, например, в солнечный день измерений в полдень будет 60% освещенности по направлению к солнцу, а в вечернее время всего 10,5%.
Выводы
1. При расположении солнечных панелей на юг, под углом 60е в области размещения исследуемой установки теряется порядка 50% освещенности на панелях в течение суток, таким образом, требуется обоснование более рационального расположения панелей или применения адаптивной системы управления углом наклона и направлением панелей, следящей за направлением к солнцу.
2. Поскольку разница вырабатываемой мощности в пасмурный день по сравнению с солнечным днем в летний период составляет всего 26%, это говорит о том, что разница в зависимости от погодных условий не велика и солнечные панели можно использовать на постоянной основе для выработки электроэнергии.
Литература
1. В Волгоградской области развивается альтернативная энергетика [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http//wwwvce34.ru/press-center/press-relizyi/27.
2. Даус, Ю.В. Оценка потенциала использования энергоустановок на основе преобразования солнечной энергии на примере г Волгограда / Ю.В. Даус, С.А. Раки-тов, И В. Юдаев II Известия Нижневолжского агроунивер-ситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. - 2016. - № 2 (42). - С. 261-267
3. Daus, Y.V. Evaluation of solar radiation intensity for the territory of the southern federal district of russia when designing microgrids based on renewable energy sources / Y.V. Daus, I V Yudaev, VV Kharchenko II Applied Solar Energy - 2016 - T 52. - № 2. - C. 151-156.
4 Даус, Ю.В. Ресурсный потенциал солнечной энергии для установок, использующих ее в системе энергоснабжения потребителей г. Волжского / Ю.В. Даус, Н.М. Веселова, И В. Юдаев, С.А. Ракитов II Политемати-ческий сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета - 2017. -№ 129. - С. 297-307.
5. Германия: ветряная и солнечная энергетика [Электронный ресурс] - Режим доступа https: //texnomaniya ru/technology/germanija-vetr]anaja-i-solnechnaja-jenergetika.html.
6. Fraunhofer Institut for Solar Energy Systems ISE, Levelized Cost of Electricity Renewable Energy Technologies, November 2013 [Электронный ресурс] - Режим доступа (access mode) ahttps://www.ise fraunhofer del content/dam/ ise/en/documents/publications/studies/Fraunhofer-ISE_LCOE_Renewable_EnergyJechnologies.pdf
7. Воронин, C.M. Формирование автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов на возобновляемых источниках энергии монография / С М. Воронин. - Зерноград ФГОУ ВПО АЧГАА, 2010 -296 с
8. Воронин, С М. Практикум по нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии учебное пособие / С.М. Воронин, С.В. Панченко, АА. Таран - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2012.-182 с.
9. Городов, Р. В Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Р В Городов, В.Е. Губин, А С Матвеев. - 1-е изд - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009 - 294 с.
10. Юдаев, И В Опыт использования ВИЭ на сельских территориях и в рекреационных зонах в регионах ЮФО / И В. Юдаев II Вестник аграрной науки Дона -2015. - № 1 (29). - С. 82-92.
11. The expenence of operation of the solar power plant on the roof of the administrative building in the town of Kamyshin, Volgograd oblast I AT. Belenov, V.V. Kharchenko, S.A. Rakitov, Y V. Daus, I V. Yudaev II Applied Solar Energy -2016. -T. 52.-№2.-C. 105-108.
12. REN21 2016. Renewables Global Status Report 2016 [elektronnyjresurs (electronic resource)] - Режим доступа (access mode) http://www.ren21 net/wp-content/uploads /2016/10/REN21 _GSR2016_FullReport_en_ 11. pdf
13. SunShot U S Department of Energ, Photovoltaic System Pricing Trends, September 22, 2014, [elektronnyj resurs (electronic resource)] - Режим доступа (access mode), http://wwwnrelgov/docs/fy14osti/62558pdf
14 Razykov T.M., Ferekides C.S.. Morel D., Stefana-kos E. Solar photovoltaic electricity: Current status and future prospects II Solar Energy - August 2011. - Vol 85. - Issue 8. -P. 1580-1608.
15. Количество солнечной энергии в регионах России [Электронный ресурс] - Режим доступа http://realsolar ru/13890 html
References
1. V Volgogradsko) oblasti razvivaetsja al'temativnaja jenergetika [In the Volgograd region, alternative power engineering is developing], available at: http://www vce34.ai/ press-center/press-relizyi/27
2. Daus Ju.V., Rakitov S A, Judaev I V Ocenka po-tenciala ispol'zovanija jenergoustanovok na osnove preobra-zovanija solnechnoj jenergii na pnmere g Volgograda [Estimation of the potential of using power plants on the basis of solar energy conversion on the example of Volgograd), Izves-tija Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa Nau-ka i vysshee professional'noe obrazovame, 2016, No. 2 (42), pp 261-267
3. Daus Y.V., Yudaev I.V., Kharchenko V V. Evaluation of solar radiation intensity for the terntory of the Southern Federal Distnct of Russia when designing micrognds based on renewable energy sources, Applied Solar Energy, 2016, Vol. 52, No. 2, pp 151-156.
4 Daus Ju.V., Veselova N.M., Judaev I.V., Rakitov S.A. Resursnyj potencial solnechnoj jenergii dlja ustano-vok, ispol'zujushhih ее v sisteme jenergosnabzhenija potrebi-telej g. Volzhskogo [Resource potential of solar energy for facilities using it in the power supply system of Volzhskiy consumers], Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhur-nal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2017, No 129, pp 297-307.
5 Germanija vetrjanaja i solnechnaja jenergetika [Germany: wind and solar energy], available at: https://texnomaniya ru/technology/germanija-vetrjanaja-i-solnechnaja-jenergetika.html
6. Fraunhofer Institut for Solar Energy Systems ISE, Levelized Cost of Electricity Renewable Energy Technologies, November 2013. available at:
https://wwwise.fraunhofer.de/ content/dam/ise/en/ documents/ publications/studies/Fraunhofer-ISE_LCOE_ Renewable^ Energy, technologies pdf
7. Voronin SM Formirovanie avtonomnyh sistem jelektrosnabzhenija sel'skohozjajstvennyh ob'ektov na vozob-novljaemyh istochnikah jenergii: monografija [Formation of autonomous power supply systems of agricultural facilities on renewable energy sources: monograph], Zernograd, FGOU VPO AChGAA, 2010, 296 p
8. Voronin S.M., Panchenko S.V., Taran A.A. Prakti-kum po netradicionnym i vozobnovljaemym istochnikam jenergii: uchebnoe posobie [Workshop on non-traditional and renewable energy sources: tutorial], Zernograd: FGOU VPO AChGAA, 2012, 182 p.
9. Gorodov RV., Gubin V.E., Matveev A.S. Netradi-cionnye i vozobnovljaemye istochniki jenergii: uchebnoe posobie [Non-traditional and renewable sources of energy: tutorial], 1-e izd., Tomsk, Izd-vo Tomskogo politehnicheskogo universiteta, 2009, 294 p
10 Judaev I V. Opyt ispol'zovanija VlJe na sel'skih temtonjah i v rekreacionnyh zonah v regionah JuFO [Experience of RES using in rural areas and recreational areas in regions of the Southern Federal District], Vestmk agrarnoj naukiDona. 2015, No. 1 (29). pp 82-92.
11. Belenov AT., Kharchenko V.V., Rakitov S.A., Daus Y.V., Yudaev I.V. The experience of operation of the solar power plant on the roof of the administrative building in the town of Kamyshin, Volgograd oblast, Applied Solar Energy, 2016, Vol. 52, No. 2, pp 105-108
12 REN21 2016. Renewables Global Status Report 2016, available at http://wwwren21 net/wp-content/uploads/ 2016/10/REN21 _GSR2016_FullReport_en_ 11 pdf
13 SunShot U S Department of Energ, Photovoltaic System Pncing Trends, September 22, 2014, available at: http://www nrel gov/docs/fy14osti/62558 pdf
14. Razykov T.M., Ferekides C.S., Morel D., Stefana-kos E., Solar photovoltaic electricity: Current status and future prospects. Solar Energy. 2011, Vol. 85, Issue 8, pp. 1580-1608.
15. Kolichestvo solnechnoj jenergii v regionah Rossii [The amount of solar energy in the regions of Russia], available at: http://realsolar.ru/13890html
Сведения об авторах
Веселова Наталья Михайловна - кандидат технических наук, доцент, заведующая кафедрой «Электроснабжение сельского хозяйства и теоретических основ электротехники», ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» (Россия) Тел : +7-988-001-24-68. E-mail: veselovanm28@gmail.com.
Панчишкин Андрей Петрович - магистрант, ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» (Россия). Тел.: +7-960-889-97-79 E-mail: panchishckin2011@yandex.ru.
Ханин Юрий Иванович - ассистент кафедры «Электроснабжение сельского хозяйства и теоретических основ электротехники», ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» (Россия). Тел : +7-927-500-53-73. E-mail: haninyu5@gmail.com.
Information about the authors Veselova Natalia Mikhailovna - Candidate of Technical Sciences, associate professor, head of the Power sipply of agnculture and theoretical foundations of electrical engineering department, FSBEI HE «Volgograd State Agranan University» (Russia) Phone +7-988-001-24-68. E-mail: veselovanm28@gmail.com
Panchishkin Andrey Petrovich - postgraduate student, FSBEI HE «Volgograd State Agrarian University» (Russia) Phone: +7-960-889-97-79. E-mail: panchishckin2011@yandex.ru.
Hanin Yuri Ivanovich - assistant the Power supply of agriculture and theoretical foundations of electrical engineering department. FSBEI HE «Volgograd State Agrarian University». Phone: +7-927-500-53-73. E-mail haninyu5@gmail com
