Влияние климатических условий на эффективность солнечной фотоэлектрической установки Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

В данной лабораторной работе будет исследоваться:

1. Определение направленных свойств АВК и ЛПА (построение диаграммы направленности);

2. Определение частотной характеристики АВК и ЛПА в рабочей полосе частот;

3. Исследование зависимости изменения КСВ в рабочей полосе частот.

Состав лабораторной установки: генератор, анализатор спектра, опорно-поворотное устройство, две антенны. Лабораторная установка представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Лабораторная установка

Порядок проведения работы:

1. Создается расчётная часть по измерению диаграмм направленности логопериодической антенны, антенны волновой канал. Для этого в программе MMANA-GAL будут созданы шаблоны с геометрическими размерами элементов антенн и между отдельными элементами.

2. Измеряется диаграмма направленности логопериодической антенны и антенны волновой канал на лабораторной установке.

3. Делаются выводы по анализу экспериментальных и расчётных зависимостей. Список использованной литературы:

1. В.И. Рыженко В.И. Назаров /Все об антеннах - М.: «Оникс», 2006.

© Опомах И.А., 2020

УДК 621.311.25(470.57)

Мирзокобилова Ф.,

ХГУ им академика Бободжон Гафурова Нозиров Д., Абдуллаев С.Ф., Кабутов К ФТИ им.С.У. Умарова АН РТ Салиев М.А.

ЦИННТ АН РТ

ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОЛНЕЧНОЙ

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Аннотация

В данной работе исследовано влияние климатических условий на эффективность солнечной фотоэлектрической установки (СФЭУ). Дана оценка величины уменьшения выработки электроэнергии из-за температуры фотоэлектрического модуля и облачности в летный и зимний период. Исследована энергетическая эффективность (КПД) солнечной фотоэлектрической установки (СФЭУ) с помощью информационной системы на основе микрокомпьютера. Дана оценка влияния температуры местности и фотоэлектрического модуля (ФЭМ) на КПД СФЭУ в зимний и летний период. Определены месячные показатели уменьшения выработки энергии из-за облачности для января и июня 2019 года на основе мониторинга выработки электроэнергии солнечной фотоэлектрической установки в Согдийской области.

~ 51 ~

ISSN 2410-6070 ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА №4 / 2020

Ключевые слова:

солнечная энергия, фотоэлектрический модуль, эффективность.

Количество падающей солнечной энергии, перехватываемой плоским приемником (I II I), установленным горизонтально (0о), в условиях севера РТ (г.Худжанд) составляет 1680 кВт*ч/м2 в год [1, стр,3; 2, стр.2]. При оптимальных углах 40о установки IIII годовые суммы увеличиваются на 10% и могут достичь 1848 кВт*ч/м2[2, стр 6]. Пиковое значение КПД фотоэлектрического модуля из поликристаллическом кремнии составляет 12% [3, стр 4]. Расчетный объем выработки электроэнергии составит менее 220 кВт*ч с одного квадратного метра в течении года при оптимальном постоянном положении IIII (40о).

Температура ФЭМ растет из-за поглощения солнечного излучения в полупроводниковом слое и КЦД СФЭУ падает при слабом охлаждении модуля [3, стр.2]. Шэтому температура воздуха и скорость ветра, которые имеют отличающийся сезонный (зимний и летний) характер являются факторами, влияющими на КЛД СФЭУ. Известно, что на выработку электроэнергии СФЭУ оказывает существенное влияние состояние приземных слоев атмосферы, её прозрачность, облачность, особенно запыленность воздуха и смог в городских условиях [4, стр.5; 5 стр.4]. Существуют ряд других влияющих на КЛД СФЭУ факторов, связанных с техническими параметрами оборудования.

Эффективность работы солнечной электростанции зависит от режима заряда и разряда аккумуляторных батарей АКБ. Уменьшение КЦЦ может быть связано с недостаточной емкостью аккумуляторных батарей и превышением выработки над суточным расходом электроэнергии. Контроллер заряда прекращает процесс зарядки по достижению напряжения 14,5В на клеммах АКБ. В этом случае контролер работает на заряд только часть дня.

Для контроля процессов производства, потребления и сбережения энергии в реальных условиях эксплуатации СФЭУ используются информационные системы [6, стр.4]. Нами создана автоматизированная система для непрерывного мониторинга рабочих параметров СФЭУ в масштабе реального времени. Система регистрации данных на микрокомпьютере обеспечивает запись и хранение данных на флэш-карте объемом 1 ГВ. Компьютерная программа обработки базы данных позволяет получить информацию о количестве выработанной электрической энергии СФЭУ за заданное реальное время суток, месяцев.

В данной работе исследуется влияние климатических условий на эффективность солнечной фотоэлектрической установки (СФЭУ). Целью исследований является оценка величины уменьшения выработки электроэнергии из-за температуры фотоэлектрического модуля и облачности в летный и зимний период.

Солнечные фотоэлектрические модули (ФЭМ) мощностью 100 Вт в количестве 4 штук были установлены на крыше частного дома под углом широты местности (40о) относительно горизонта и нормаль плоскости солнечных приемников направлена на юг. Данные тестирования производителя (КНР), приведенные на шильдике ФЭМ, при условий STC (Standard Test Conditions - освещенность 1000 Вт/м2, 25оС, спектр АМ 1,5):

- максимальная мощность 100 Вт

- напряжение при максимальной мощности 17 В

- номинальное напряжение 12 В.

Коэффициент полезного действия (КЦЦ) ФЭМ п определяется как доля от общего количества солнечной энергии, которая преобразована в электричество. Этот показатель п может быть вычислен из значений мощности по параметрам тестирования STC по формуле:

П = PSTC - 1000 Вт/м2 - площадь

В нашем случае PSTC = 100 Вт и площадь S = 0,8 м2

П = 100 Вт - 1000 Вт/м2 - 0,8 м2 = 0,125.

Таким образом, по данным производителя пиковый КПД ФЭМ составляет 12,5% при стандартных условиях STC, т.е. интенсивности солнечного излучения равной 1 кВт/м2, температуре 25оС и оптической массе атмосферы, определяющей диапазон пропускаемых волн солнечного спектра равной 1,5, т.е. АМ 1.5.

Пиковый КПД СФЭУ определяется как пиковый КПД ФЭМ (солнечной батареи), умноженный на коэффициент потерь электрической схемы подключения нагрузки равной общей КПД контроллера заряда и разряда, инвентора, аккумуляторной батареи. С точки зрения потребителя более полезно знать средний КПД СФЭУ в течении всего периода эксплуатации.

Средний КПД СФЭУ за определенный период времени можно рассчитать на основе данных по выработке электроэнергии. Например, среднее суточное значение КПД для СФЭУ Пс определяется по формуле

Пс = ^ - Qс,

где Wс - выработанная электроэнергия в течении суток, S - площадь ФЭМ,

Qс - суточная сумма суммарного солнечного излучения (СИ) на площадь 1 м2.

Среднее месячное значение КПД для СФЭУ Пт определяется по формуле

Пт = ^^т - S - Qm,

где ^Ут - выработанная электрическая энергия в течении месяца, Qm - месячная сумма суммарного СИ на площади 1 м2. Средние многолетние данные Qm метеостанции Кайраккум, приведенные в справочнике [1,стр 56] нами используются для северных долинных регионов РТ. Погрешность Qm составляет 3...5% в теплые месяцы, 7...10% в холодные месяцы года, среднегодовая сумма радиации приведена с погрешностью 2.3%.

Данные мониторинга температуры воздуха Тв и ФЭМ приведены на рис.1.а.б.в.г для самого холодного и теплого месяца января и июля 2018г.

Анализ данных мониторинга температуры приведены на табл.1.

Температура ФЭМ (^С), как известно влияет на КПД СФЭУ. Из анализа следует [3], что при увеличении ^С все энергетические характеристики солнечных элементов (СЭ), как правило, ухудшаются. Особенно это характерно для кремниевых СЭ, которые резко снижают свой КПД при росте ^С, в следующей зависимости (с точностью до 0,6%):

П (^С) = п (0оС) - к х ^С при к = 0,06 оС-1

КПД ФЭМ на основе монокристаллического кремния при температуре 0оС составляет 17,2%, при температуре 60оС уменьшается до 13,5% [3]. КПД уменьшается почти на четверть (3,7%). Выработка СФЭУ падает на 0,06% при повышении температуры ФЭМ на 1оС.

Средняя дневная температура модуля определяется по времени работы СФЭУ с 8.00 по 20.00 составила для января 3,4°С и для июля 38,0°С. при Средний дневной КПД ФЭМ составляет 17% в январе и 14,9% в июне. Расчетный КПД ФЭМ для января меняется в пределах диапазона от 15,7% до18,0%, для июля от 13,4% до 16,2%. По нашим расчетам, летом высокая температура ФЭМ (до 63,75°С) уменьшает КПД на 3,6% (17%-13,4%). Выработка электроэнергии ФЭМ уменьшается на 21% (0,036/0,17 =0,21).

В зимний период увеличивается влияние облачности на выработку электроэнергии, которая как будет показано ниже уменьшается на 50.60%.

Ниже дается методика оценки влияния облачности на выработку СФЭУ.

Для оценки влияния климатических, метеорологических и технических факторов на КПД СФЭУ нами разработана методика определения комплексного показателя уменьшения выработки электроэнергии из-за температуры воздуха местности, облачности, дождя, снега, тумана, потерь в электрической схеме, работы контролера заряда, угла установки приемника относительно горизонта. Данная методика используется для оценки влияния облачности и температуры местности на выработку электроэнергии СФЭУ.

Т°С Рис.1а

-15

SooöoooööoooöSööoooöoooööooöoööö

чгчппгчппгчпппппгчпппппппгчгчгчгчппппппп

--ГЧ Г. Т О М С1. О - П С, Ч1 С f^

К !? О - ГЧПЧ-^^ОГ^Х^О —

^ХХХХХХХХОСХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХ

Soooopoooooooooooooooooooooooooo

^ir4(N!N<NOI(N(NOI(Nn(N(N(Nn(N(Nr4(N(N(N(Nr4n(N(N(N(N(N(N(N(N ГЧ '

— — (N Г; Ч1 Р- X ^ О — П Г, Ii ^ Ü ^

— — пппппгчгч010101г. ci

Рисунок 1 - Мониторинг температуры воздуха Тв и ФЭМ Тм

Данные мониторинга Тв, Тм для января и июля 2018г.

Таблица 1

2018 г. январь июль

КПД (%) = 17,2 - 0,06*Т(°С) Тв, Тм, Тв, Тм,

Тср (среднемесячная), °С 2,02 2,48 32,40 35,12

Тсрдн (средняя дневная), °С 3,4 38,0

КПД (средняя дневная), % 17,0 14,9

Тмакс (максимальная), °С 13,63 24,81 47,94 63,75

КПД (минимальная), % 15,71 13,38

Тмин (минимальная), °С -12,06 -13,25 17,94 16,56

КПД (максимальная), % 18,00 16,21

Месячный показатель уменьшения выработки энергии из-за облачности или кратко коэффициент облачности кобл определяется

кобл = (1- <Шс>/ ^Усмах) * 100%

где <Wс> - средняя суточная выработка энергии,

^Усмах - максимальная суточная выработка энергии на середину месяца. Электрическая мощность на выходе ФЭМ Рi определяется по формуле

^ = Ii Ui (1)

где Ii - ток, Ui - напряжение на выходе ФЭМ.

Выработка электроэнергии в заданном интервале i определяется по формуле

Ш = Р (2)

где =10 мин =const является интервалом измерений.

Величина Рi считается средней электрической мощностью в i - том интервале. Число измерений N=144 в сутки. Суточная выработка электроэнергии определяется суммой выработки в интервалах

Wc=!f=i Wt (3)

или

Wc=!f=1 №

Средний месячный КПД фотоэлектрического модуля (ФЭМ) определяется:

Пм = ¥м / Ем

(4)

(5)

(6)

где Шм=ЕГ=1 Wc(í)

Шм - месячная выработка электроэнергии и М - число дней в месяце, Ем - месячная сумма солнечного излучения на площади приемника.

Результаты измерений тока и напряжения на выходе ФЭМ с интервалом 10 минут хранятся в формате Ехсе1 и обрабатываются с помощью компьютера.

0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00

«ч*

C4V

CNN?

■ 1

. 1 1 1

1.1- II _ 1 ■ 11

-vv

Cr

Г

r

ei?

<bV

40 35 30 25 20 15 10 05 00

а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\ а\

о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о

<N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N

\D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D \D

СЗ о СЗ СЗ р СЗ О СЗ сз сз СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ

^ <N ГО iri vo t^ 00 сз ^ <N го iri VO t^ 00 ON СЗ <N го СЗ

О О о о о о О о о '—1 '—1 '—1 '—1 '—1 '—1 '—1 '—1 <N <N <N <N <N <N <N <N <N <N m

Рисунок 2 - Мониторинг суточной удельной выработки Шс^ ФЭМ.

Результаты мониторинга суточной удельной выработки 'с/8 ФЭМ приведены на Рис.2. а, б для января и июня 2019г.

Месячная выработка электроэнергии СФЭУ составила 3,6 кВт.ч/м2 в январе. Минимальная выработка электрической энергии наблюдались в пасмурные, дождливые, холодные дни (см. Рис.2а). Средняя суточная удельная выработка электроэнергии СФЭУ составила 0,12 кВт.ч/м2, при максимальной суточной выработке 0,31 кВт.ч/м2 (13.01.2019).

Средняя суточная удельная выработка электроэнергии СФЭУ составила 0,27 кВт.ч/м2 в июне. Максимальная суточная выработка - 0,35 кВт.ч/м2 (17.06). Месячная удельная выработка электроэнергии СФЭУ - 8,1 кВт.ч/м2.

Данные выработки электроэнергии, КПД, кобл для СФЭУ приведены в табл.2.

Удельная месячная сумма (Ем/8) солнечного излучения (СИ) на горизонтальной площади (0°) для января месяца по данным справочника [1] составляет 59,4 кВт.ч/м2. По нашим расчетам [4] при угле установки 40° месячная сумма увеличится на 10% и составит 64,3 кВт.ч/м2. Тогда

Пм = 'м / Ем = См / 8) / (Ем /8 ) = / ЕмК Пм = (3,6 кВт.ч /м2 ) /64,3 кВт.ч/м2 = 0,055

Средний месячный КПД СФЭУ в январе 2019г. составил 5,5%.

Таблица 2

Выработка энергии, КПД, кобл СФЭУ

Величина Обозначение, ед.изм. январь июнь Рост

Площадь приемника S, м2 2,4 2,4 1

Угол установки 9, ° 40° 40° 1

Удельная выработка энергии Wh /3,кВт.ч/м2 3,6 8,1 2,25

Месячная сумма СИ на единицу площади (0 = 40°) Ем /3,кВт.ч/м2 64,3 254,2 3,96

Энергетическая эффективность КПД , % 5,5 3,2 0,58

Средняя удельная суточная выработка энергии <Wo> / S , кВт.ч / м2 0,12 0,27 2,25

Максимальная удельная суточная выработка энергии Wcm^ / S , кВт.ч / м2 0,31 0,35 1,13

Коэффициент облачности кобл , % 61,3 22,9 0,36

Уменьшение выработки энергии из-за облачности составило в январе 61,3% и в июне 22,9%. Энергетическая эффективность (КПД) СФЭУ составила в январе 5,5% и в июне 3,2%. Расчетная эффективность кремниевого поликристаллического фотоэлектрического модуля (ФЭМ) составляет около 12% [3, стр.6] для стандартных условий тестирования (STS). СФЭУ преобразует в электрическую энергию только часть солнечного излучения видимой области спектра, падающего на приемник. Уменьшение КПД СФЭУ, работающего в автономном режиме (off-grid) в зимний период до 5,5% (или на 54%) связано в основном с облачностью и с потерями в электрической схеме. Летом при росте СИ в 4 раза, удельная месячная выработка растет всего на 2,3 раза. Уменьшение КПД СФЭУ до 3,2% (или на 73%) также связано с недостаточной емкостью аккумуляторной батареи и работой контролера заряда и разряда [7, стр.5]. Заключение

1. Исследована энергетическая эффективность (КПД) солнечной фотоэлектрической установки (СФЭУ) с помощью информационной системы на основе микрокомпьютера. Дана оценка влияния температуры местности и фотоэлектрического модуля (ФЭМ) на КПД СФЭУ в зимний и летний период.

2. Определены месячные показатели уменьшения выработки энергии из-за облачности для января и июня 2019 года на основе мониторинга выработки электроэнергии солнечной фотоэлектрической установки.

Список использованной литературы:

1. Справочник по климату СССР. Выпуск 31, ч. 1, Л., Метеоиздат, 1966.

2. Салиев М.А., Назаров Р.Р., Иброгимов И.И. Оценка возможностей солнечной энергии в северных регионах РТ. - // Ученые записки. Естественные и экономические науки. Издание Худжандского гос. университета им. акад. Б. Гафурова - Худжанд, 2014, №4 (31), с.39-43.

3. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К. Солнечная энергетика: Учебное пособие для вузов / Под ред. В.И.Виссарионова. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008,320с.

4. Назаров Б.И., Салиев М.А, Махмудов А.Н., Абдуллаев С.Ф. Расчет потока суммарной радиации на наклонную плоскость солнечных приемников в условиях аэрозольного загрязнения атмосферы. //Доклады Академии наук Республики Таджикистан. 2015, т.58, №12, с.1111-1118.

5. Назаров Б.И., Салиев М.А., Махмудов А.Н., Абдуллаев С.Ф. Влияние аэрозольного загрязнения атмосферы на работу солнечных приемников //Докл. Академ. наук Республики Таджикистан. 2016, т.59, №5-6, с.206-213.

6. Дубинин Д.В., Лаевский В.Е. Энергетическая эффективность работы солнечных батарей в реальных режимах эксплуатации / - Изв. Томского политех. университета, 2015, т.326, № 3, с.58-61.

7. Салиев М.А., Ахмедов Х.М. Эффективность солнечной фотоэлектрической установки в реальных условиях эксплуатации. - // Известия АН РТ. Отделение физ.-мат., хим., геол. и технических наук, №1, 2018, с.57-63.

©Мирзокобилова Ф., Нозиров Д., Салиев М.А.,Абдуллаев С.Ф.,Кабутов К., 2020

УДК 62-6

Сергеева Г. В.

Старший преподаватель, Самарский университет, г. Самара

Стрельникова Д. В.

Студент, Самарский университет, г. Самара

ADVANTAGES AND DISADVANTAGES OF BIOFUELS IN AVIATION

Annotation

This article touches on important points regarding the advantages and disadvantages of jet biofuels, provides statistics on fuel consumption by airlines, describes the reasons why it is necessary to switch to biofuels and develop new, more advanced types.

Keywords:

biofuels, aviation industry, ecology, the benefits and harms of new fuels.

Every day in the world more than 100 thousand flights are operated. World aviation consumes about 300 million tons of fuel per year. These numbers perfectly reflect the scale and complexity of the aviation fuel supply system. The depletion of hydrocarbon reserves, rising energy prices, the growing dependence of the economy on the oil sector make it necessary to search for new non-traditional sources of energy.

According to the Air Transport Association, fuel consumption is a serious environmental and financial problem. The Federal Aviation Administration (FAA) estimates that by 2030, the U.S. fleet of commercial aircraft will consume more than 110 billion liters of fuel, compared to 68 billion liters this year, and about 160 million people will fly on US aircraft compared to the current 70. 7 million, according to the agency. These numbers are shocking, right?

Every year, the aviation industry is under increasing pressure from the public and environmentalists, who claim that increasing traffic and the number of aircraft in operation causes serious damage to the environment, and aviation is one of the largest consumers of fuels and lubricants. Therefore, back in 2008, the leading representatives of the aviation industry came to a common opinion on the need to increase the fuel efficiency of operating aircraft by 1.5% by 2020. From the beginning of 2020, a limitation on harmful emissions in aviation will be introduced, and by 2050 it is planned to reduce carbon dioxide emissions by up to 50% compared with the figures for 2018.

On other modes of transport there is a wide selection of alternative energy sources, the most popular is