CC BY
11
Таблица 6
Показатели надежности работы стандартного метода SVM на полном наборе признаков_
Надежность работы классификаторов, %
Метод RSDB - G RSDB - A
Стандартный классификатор SVM 86,12 87,73
Анализ полученных результатов показал, что применение оптимизационных методов повышает качество распознавания информации по речевому сигналу (пола и возраста человека). В сравнении с надежностью стандартного классификатора показатели работы предложенных подходов имеют значительные преимущества и составляют в среднем для распознавания пола: 7,54%, для распознавания возраста: 5,51 % на полном наборе признаком. Показатели надежности работы классификатора SVM после оптимизации отбора информативных признаков имеют так же преимущества, - для распознавания пола составляет: 6,69%, а для распознавания возраста: 5,21%. Можно сделать вывод, что выбранные оптимизационные алгоритмы показывают высокую эффективность работы.
В заключении можно отметить, что диалоговые системы будут только тогда эффективны, если они будут привычными для пользователя, адаптированы к нему. Тщательный структурированный подход в разработке разговорных диалоговых систем может также привести к появлению новых усовершенствованных технологий для успешного будущего человека (пример, автомобильная навигационная система, "умная" локальная система сотовой радиосвязи, многомодальные системы). Успех в их реализации будет зависеть напрямую от уровня качества, который разработчики смогут предложить пользователям, поэтому исследования в этой научно - технической области продолжаются.
Список литературы
1. Kohavi R., John G. H. Wrappers for feature subset selection // Artificial Intelligence, 97. 1997. P. 273324.
2. Christopher Winship, David J. Harding. The overall strategy for the identification of age, period. Cohort
model: mechanisms approaches: Harvard University, 2004, P. 81.
3. Метод опорных векторов [Электронный ресурс]. URL: http://yury.name/ (дата обращения: 10.01.2015), С. 1-3.
4. Boersma P. Praat, a system for doing phonetics by computer. Glot international, 5(9/10), 2002, P. 341345.
5. Местецкий Л. М. Математические методы распознавания образов: курс лекций. Москва: МГУ, 2002-2004. С. 81-84.
6. Прикладная статистика: Классификации и снижение размерности: справ. изд./ С. А. Айвазян [и др.]; под ред. С. А. Айвазяна. М.: Финансы и статистика, 1989, С. 607.
7. Sound - Detailed Help [Электронный ресурс] URL: http://www.physicsclassroom.com/mop/ (дата обращения: 25.12.2014). C. 1-6.
8. Eyben F., Wöllmer M., Schuller B. Opensmile: the munich versatile and fast opensource audio feature extractor // Proceedings of the Intern. Conf. on Multimedia, 2010. ACM. P. 1459-1462.
9. Fareed Akthar, Caroline Hahne. Rapid Miner 5: Operator reference// Dortmund, 2012. P. 26-485.
10. Черезов Д. С., Тюкачев Н. А. Обзор основных методов классификации и кластеризации данных. Воронеж: ВГУ, 2009. С. 25-29.
11. Hall, M. [et al.]. The WEKA Data Mining Software: An Update, SIGKDD Explorations. 2009. Vol. 11, iss. 1. P. 1-15.
12. Daridi F., Kharma N., Salik, J. Parameterless genetic algorithms: review and innovation // IEEE Canadian Review. 2004. (47). P. 19-23.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ НА ШИРОТЕ ХАРТУМА И САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
Бадрелдин-Миргхани М. М., Афанасьев В. П.
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», г. Санкт-Петербург
A COMPARATIVE ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF THIN FILM SOLAR MODULES AT THE LATITUDE OF KHARTOUM & ST.PETERSBURG M. M. Badreldin-Mirghani, V. P. Afanasjev
ABSTRACT
In this paper, we present evaluation of work efficiency of thin film solar modules TFSM based on amorphous and nanocrystalline silicon at the latitude of Khartoum (15.6°) and St. Petersburg (59.9°) using the program PVGIS. To improve the accuracy of the program PVGIS method was proposed influence of the temperature of the solar module at various times of the year on its efficiency. Analysis of this study showed that monthly correction angle of the solar module to the horizon will increase the efficiency of its work to by 6% in St. Petersburg and by 7% in Khartoum.
Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS), radiation intensity, the thin film solar module (TFSM) based on amorphous and nanocrystalline silicon (a-Si:H/nc-Si), the angle of inclination of the solar module
В данной работе приведена оценка эффективности работы тонкопленочных солнечных модулей (ТПСМ) на основе аморфного и нанокристаллического кремния на широте Хартума (15,6°) и Санкт-Петербурга (59,9°) с ис-
пользованием программы PVGIS. Для повышения точности программы PVGIS было предложено учитывать влияние изменения температуры солнечного модуля в разное время года на его эффективность. Проведенный анализ показал, что введение ежемесячной коррекции угла
наклона солнечного модуля к горизонту позволит повысить эффективность его работы на 6% в Санкт-Петербурге и на 7% в Хартуме.
Фотовольтаическая географическая информационная система (PVGIS), интенсивность излучения, тонкопленочные солнечные модули (ТПСМ), эффективность преобразования, ориентация солнечного модуля.
Введение. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределенного производства энергии. Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м2 (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м2. Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум составляет 340 Вт/м2 (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в широтах, ближе к Северному полярному кругу (66 > 9 > 60), значение G в два раза меньше и составляет 170 Вт/м2 [1].
Благодаря высокой солнечной радиации и растущей потребности для получения энергии, Судан собирается стать в будущем важным игроком в сфере производства солнечной электроэнергии. Его стратегический план развития солнечной энергетики находится в согласии с международной тенденцией, которая в условия роста спроса на энергию и проблем глобального потепления, делает возобновляемые источники энергии приоритетами, включая солнечную энергию.
Основной целью развития суданского солнечного плана является создание солнечных электростанций на основе экономичных и эффективных технологий, таких как плазмохимические осаждения различных слоев в составе тонкопленочных солнечных модулей (ТПСМ), например, на основе аморфного и нанокристаллического кремния (а-8Ш/пс-81).
В 2013 году Судан начал реализацию проектов солнечной фотовольтаической энергетики, распределенных по четырем сельским местностям и с общей мощностью 20 МВт [2,3]. Согласно докладу Министерства энергетики и водных ресурсов, в соответствии со стратегическим планом развития солнечной энергетики, Судан собирается построить ряд солнечных электростанций для покрытия растущей потребности электроэнергии в пределах своих границ и инвестировать излишки на мировой рынок [3].
Известно, что эффективность работы солнечного модуля (СМ) зависит от широты местоположения и климатических условий. И в первую очередь определяется потоком солнечного излучения падающего на поверхность модуля и температурой окружающей среды.
Программа фотовольтаической географической информационной системы (PVGIS) является одной из лучших программ, предназначенных для оценки эффективности работы фотоэлектрических систем (ФЭС). Она создана европейским объединенным исследовательским центром и находится в интернете в открытом доступе. Достоинством программы PVGIS является долгосрочный опыт ее использования для мониторинга и тестирования различных СМ с учетом географического положения. Од-
нако в этой программе не учитывается влияние температуры на эффективность работы ТПСМ, которые в последние годы получили широкое распространение.
Целью работы является исследование эффективности двухкаскадных ТПСМ на основе а-81:Н/пс^ расположенных на широте Хартума и Санкт-Петербурга, с учетом влияния температуры.
Метод и объекты исследования. Для анализа работы ТПСМ на разных широтах, используется программа PVGIS, которая опирается на теоретические и экспериментальные исследования солнечного излучения с учетом влияния атмосферных условий в Европе, Африке и Юго-Западной Азии. Метод PVGIS объединяет геопространственные данные с лабораторными данными СМ для прогнозирования реальной производительности электроэнергии (в кВт час) солнечных электростанций в разных регионах.
При проектировании солнечных электростанций, обычно выбираются двухкаскадные СМ с высокой эффективностью на основе а-81:Н/пс^. Такие модули преобразуют солнечные излучения в более широком спектральном диапазоне и характеризуется эффективностью 11% при интенсивности излучения (1000 Вт/м2) соответствующей мировому стандарту измерения (спектр АМ 1,5 G, и температура 25 °С).
Эффективность преобразования солнечной энергии в электроэнергию с помощью СМ может быть задана как:
П
!maxUmax
(i)
Pin G-A
где Imax и Umax - ток и напряжение при максимальной мощности (Pmax); G - интенсивность солнечного излучения; A - площадь СМ. Номинальная пиковая мощность представляет собой эффективность (п) на номинальную интенсивность излучения (Go = 1кВт/м2) и площадь СМ (А) [1]:
Ppk = П Go A (2)
Фактическая мощность СМ в природных условиях зависит от интенсивности солнечного излучения, пиковой мощности, фактической эффективности, которая является функцией температуры модуля (Тт), угловых отражения (R), сопротивления контактов и инверторов (r). Поэтому фактическая мощность СМ имеет следующий вид формулы:
Pf(Tm, R, r) = Ppk • iifOm, R,r (3)
Go
где G(t) - среднее значение интенсивности излучения в течение дня; nf - фактическая эффективность.
Потери, связанные с дополнительными частями системы, которые, не связаны с воздействием излучения, таких, как сопротивление в соединительных кабелях и инверторах (Lr) так же называемыми потерями при образователях тока и напряжения составляют 14% от эффективности. Потери из-за угловых эффектов отражения (LR) составляют 3 % в Европе и 2,6 % в Африке [1].
Недостатки программы PVGIS является не возможным учесть влияние температуры на эффективность СМ. Предполагалось что независимо от расстояния СМ, значение потери из-за температуры модуля составили около 8 % для климата при температуре 25 °С [1].
Реально сравнение условий эксперимента показывает, что температура СМ зависеть от интенсивности излучения, температуры окружающей среды в течение солнечного дня и в разные месяцы года. В таблице 1 приведены среднее значения температуры воздуха для Хартума и Санкт-Петербурга [4].
Таблица. 1
Среднее значения температуры воздуха для Хартума и Санкт-Петербурга___
месяц 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Та (°С), Хартум 24,7 27,3 30,3 31,5 33 33 29,3 28,1 30 30,7 28,5 26,2
Та (°С), СПб -5,4 -5,7 -1,6 5,7 11,2 16,5 19,4 17,8 12,7 6,7 0,2 -4,1
В данной работе разработана методика влияния температуры СМ на его эффективность. Зависимость температуры СМ от температуры воздуха и интенсивности излучения определена в следующем виде:
G(t)
Тт = Та + (ТШст - 20)--
^ост
= Та + [Кт,шст • G(t)] (4) где TNOCT - температура СМ при разомкнутой цепи когда температура окружающей среды 20 °С, GNOCT -интенсивность составляет 800 Вт/м2 и скорость ветра 1 м/с.; Кт^ОСТ - коэффициент преобразования оптического излучения в температуре, который зависит от типа модуля [5,6]. Для СМ на основе a-Si:H/nc-Si, Кт,ШСТ = 0,03125 °С/(Вт/м2); TNOCT = 45 °С [5-7]. Однако следует отметить, что значение Кт, может быть повышено, когда фиксируют СМ на поверхности крыш или стен из-за ограничения движения воздуха.
Эффективность ТПСМ на основе a-Si:H/nc-Si как функция температуры определяется следующими выражениями [5,6]:
(5)
(6)
Пт = П[1 - Рге^Тт - Тс)) 4
Пт = По
к(Т,т-То
Тн-Тс
= 0.005 С-1; ТО
где п = 11 %; Тс = 25 °С; =
~ 225 °С это максимальная температура, при которой КПД СМ падает до нуля; п0 - эффективность СМ при 0 °С; коэффициент температуры к = 13,8 К-1; ТО = 273 К.
Уравнение (6) обычно используется в тех местах, где температуры воздуха падает ниже 0 °С. При этом
фактическая эффективность ФЭС на основе ТПСМ характеризуется в следующем выражении:
nf(Tm,R,r) =nт-n(Lr + LR) (7)
Таким образом, среднесуточное значение вырабатываемой электроэнергии от ФЭС может быть представлено в следующей формуле: ^ х и
Е = ) Ррк • П = (Hd/1000)Ppk • п
(8)
где Е - вырабатываемая мощность в киловатт час (кВт час) единица, которая является измерением количества вырабатываемой или потребленной энергии; t - время солнечного дня; Щ - среднее значение суммы интенсивности излучения в час на квадратный метр в течение солнечного дня (Вт час/м2).
Установка ФЭС на широте Хартум и Санкт-Петербург. Плотность потока энергии, падающей на СМ, зависит не только от плотности потока самого солнечного излучения, но также и от угла падения. В случае, когда поглощающая поверхность и солнечный поток перпендикулярны друг другу, плотность потока излучения максимальна. На рис. 1. представлено изображение изменения ориентации (Юг, Север) и угла наклона СМ к горизонту (в) на широте Хартума и Санкт-Петербурга в зависимости от астрономического явления солнцестояний и равноденствий на экваторе. Если в неизменен, то максимальная производительность за весь год достигается в ясный день тогда, когда угол между модулем и Солнцем равен или приблизителен 90°.
Равноденствие Солнцестояние 20 марта Солнцестояние
Рис. 1. Изменения ориентации СМ к горизонту на широте Хартума и Санкт-Петербурга в зависимости
от солнцестояний и равноденствий
Существуют два способа установки фотоэлектрических систем:
1- установка по оптимальному фиксированному углу наклона СМ к горизонту (вф).
2- (Трекер) установка устройства слежения за солнцем (рис.2). По расчетам программы PVGIS, вф составил 41° для Санкт-Петербурга и 18° для Хартума.
Выгода в эффективности работы СМ на основе а-8гН/пс^ при использовании устройства слежения за Солнцем составляет до 31 %.
Несмотря на очевидные достоинства системы слежения за Солнцем, она обладает рядом недостатков, среди которых основными являются:
• необходимость в электропитании компонентов привода слежения;
• сложность в настройке, а также возможные отказы в работе;
• техническая трудность в реализации;
• высокая стоимость.
Таким образом, была поставлена задача разработки конструкции, обеспечивающей оптимальное расположение модуля в течение года, и при этом лишенных вышеупомянутых недостатков.
В ходе решения этой задачи была разработана система оптимальной ежемесячной коррекции р. В таблице 2 проведены значения оптимального ежемесячного в для Хартума и Санкт-Петербурга. Надо отметить, что знак (-) в Хартуме указывает на изменение ориентации СМ в направлении Севера.
Для определения эффективности данной конструкции с целью увеличения выработки энергии солнечными модулями по сравнению с их стационарной ориентацией были проведены опытные измерения и моделирование по программе PVGIS.
Рис. 2. установка устройства слежения за солнцем
Таблица. 2
месяц 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
в°, Хартум 44 35 20 2 -12 -19 -15 -4 13 29 42 47
в°, СПб 77 72 58 42 29 21 24 35 48 62 70 76
На рис. 3. Представлены результаты измерения КПД устройства ФЭС на основе модулей а^Ш/гс^ в течение года на широте (а) Санкт-Петербурга (б) Хартума и при разных системах установки: кривая 1 - по широте города, кривая 2 - Рф, кривая 3 - оптимальная ежемесячная коррекция в, кривая 4 - система трекера. Наблюдаются графики симметричными распределениями для Санкт-Петербурга из-за его расположения на северном полушарии далеко от экватора. Установка ФЭС на широте Санкт-Петербурга уменьшает эффективность его работы на 3,5% по
сравнению с углом Рф, который равен 41°, причина этого является значительная разница между широтой и Р в месяцы высокого излучения от апреля до сентября. Благодаря его расположению рядом с экватором, Хартум имеет постоянное распределение эффективности работы ФЭС в течение года. Следует отметить, что в период от июля до сентября, эффективность уменьшается из-за облачной погоды.
1 2 3 4 5 6 7 Месяц
(а)
10 11 12
1 2 3 4 J б 7 Месяц
(б)
3 10 11 12
Рис. 3. измерения КПД устройства ФЭС на основе модулей а-Si.'Шnc-Si в течение года на широте:
(а) Санкт-Петербурга (б) Хартума
В таблице 3 приведены результаты анализа эффективности СМ на основе двухкаскадного а^Ш/ш^ для прогнозирования объема ФЭС разных устройств установки на широте Хартума и Санкт-Петербурга.
(0:в) - оптимальная ежемесячная коррекция положения СМ; (@ф) - устройство слежения за солнцем (трекера); Ьфм - повышение эффективности работы станции которое было рассчитано по данной формуле:
Таблица. 3
Анализа эффективности СМ на основе двухкаскадного a-Si:H/nc-Si на широте Хартума и Санкт-Петербурга
Площадь = 1,43 м2, ц = 11% и Ррк = 157 Вт для СМ, П = 9,46% и Ррк = 135 Вт для устройства ФЭС при стандартных условиях измерения
Характеристики ФЭС Санкт-Петербург 59,9° широта, 30,3° долгота Хартум 15,6° широта, 32,5° долгота
Рф = 41° (0:Р) (®:Р) Рф = 18° (0:Р) (®:Р)
Среднее значение Тт, °С 13,9 14,4 16,2 47 48,5 53,7
Среднее значение G(t), (Вт/м2) 251 267 324 567 613 778
Ш, Вт час/м2 3075 3271 3969 6662 7202 9142
РДГт, ^ г), Вт: А = 1м2 21,45 22,76 27,02 46,45 49,72 60,93
Pf(Tm, ^ г), Вт: А = 1,43м2 30,67 32,55 38,65 66,42 71,10 87,13
Е, кВт час: А = 1,43м2 0,375 0,398 0,473 0,780 0,835 1.023
Среднее значение КПД ФЭС, % 2,14 2,27 2,70 4,65 4,98 6,10
ЛQw, % - 6 26 - 7 31
AQw = (Ef/Ei) - 1 (9)
где Ei - вырабатываемая энергия при Рф.
Заключение. Основные результаты работы сводятся к следующему:
- Достоверность расчетов по программе PVGIS повышается при учете потерь мощности ФЭС на основе а-Si:H/nc-Si, возникающих из-за изменения температуры СМ.
- Рф составляет 18° для Хартума и 41° для Санкт-Петербурга.
- Высокая эффективность работы СМ на основе a-Si:H/nc-Si на территории Судана происходит за счет высокого и постоянного солнечного излучения в течение года. Благодаря этому Судан обеспечивает оптимальные условия для создания проектов, солнечных электростанций.
- Эффективность работы солнечной электростанции на основе двухкаскадных модулей a-Si:H/nc-Si на широте Хартума повышается на 7 % при оптимальной ежемесячной коррекции р, и на 31 % при установке устройства слежения за солнцем (трекера).
Список литературы
1. Photovoltaic Geographical Information System. http://re .j rc.ec.europa. eu/pvgis/apps4/pvest.php#. European Commission. 2002 - 2013.
2. About Renewable Energy in the Republic of the Sudan. http ://www. rcreee.org/wp-
content/uploads/2013/07/RCREEE CountryProfile R E Sudan 2012 AR.pdf.pdf. (Regional Center for Renewable Energy and Energy Efficiency "RCREEE" - Sudan - 2013).
3. Energy Projects. http://www.wre.gov.sd/index.php. The Ministry of Water & Electricity - Sudan - 2013.
4. Температура воздуха. www.pogodaiklimat.ru. Климат Хартума и Санкт-Петербурга, 2004-2013.
5. E. Skoplaki, J.A. Palyvos. On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance: A review of efficiency/power correlations. Solar Engineering Unit, School of Chemical Engineering, National Technical University of Athens, 4 November 2008.
6. V.Jafari Fesharaki, Majid Dehghani, J. Jafari Fesharaki. The Effect of Temperature on Photovoltaic Cell Efficiency. International Conference on Emerging Trends in Energy Conservation. Tehran, Iran, 20-21 November 2011.
7. Kaneka - product. http://www.kaneka-solar.com/product/thin-film/pdf/U-EA.pdf. Texas U.S.A.
PHOTOVOLTAIC POWER STATION PROGRAM
Mirghani M. M.
Saint Petersburg State Electrotechnical University «LETI», St. Petersburg
ПРОГРАММНОЕ ОБУСПЕЧЕНИЕ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИХ ЭЛЕКРОСТАНЦИЕЙ M. M. Миргхани
АННОТАЦИЯ
Программа PVPSP показала себя как надежный инструмент расчётов, кроме того обладающий интуитивно понятным интерфейсом и практичным выводом результатов, она позволяет рассчитать, как интенсивность солнечного излучения, падающего на любую точку планеты с разными углами в разное время года, общую площадь и количество панелей для солнечной электростанции, так и производительность солнечной электростанции (от 1 кВт до 250 мВт) в течение года с разными углами положения солнечных панелей.
Программа фотовольтаических электростанцией (PVPSP), Фотовольтаическая географическая информационная система (PVGIS), аморфные и нанокристаллические кремниевые солнечных элементов (a-Si:H/nc-Si).
Photovoltaic Power Stations Program PVPSP proved to intensity of the solar radiation incident on any point on the be a reliable tool for calculations also has an intuitive interface planet at different angles at different times of the year., the to-and a practical display of the results, it enables calculate the tal area and number of panels and productivity solar power
