CC BY
9Статья поступила в редакцию 11.03.12. Ред. рег. № 1231
The article has entered in publishing office 11.03.12. Ed. reg. No. 1231
УДК 502.174.3; 621.311.8
ВЛИЯНИЕ СНЕЖНОГО ПОКРОВА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ФЭП
В.И. Велькин
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина 620002 Екатеринбург, ул. Мира, д. 19 Тел./факс: (343) 375-95-08, e-mail: v.i.velkin@ustu.ru
Заключение совета рецензентов: 21.03.12 Заключение совета экспертов: 25.03.12 Принято к публикации: 28.03.12
Рассмотрено влияние снежного покрова на эффективность функционирования фотоэлектрических преобразователей. Показано, что для Уральского региона в зимний период наиболее эффективным является строго вертикальное расположение ФЭП.
Ключевые слова: возобновляемая энергетика, солнечная энергетика, фотоэлектрические преобразователи, эффективность использования солнечной энергии.
EFFECT OF SNOW ON THE EFFICIENCY OF THE SOLAR PHOTOVOLTAIC CELLS
V.I. Velkin
Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin 19 Mira ave., Yekaterinburg, 620002, Russia Tel./fax: (343) 375-95-08, e-mail: v.i.velkin@ustu.ru
Referred: 21.03.12 Expertise: 25.03.12 Accepted: 28.03.12
The influence of snow cover on the efficiency of photovoltaic cells is considered. It is shown that for the Urals region in winter the most efficient is strictly vertical position of solar cells.
Keywords: renewable energy, solar energy, photovoltaic cells, the efficiency of solar energy.
В настоящее время динамика производства и использования солнечных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) в мире растет в геометрической прогрессии. В то же время основное применение ФЭП находят в странах с теплым климатом, не знакомых с проблемой снежных осадков.
Рис. 1. Фото энергоэффективного дома зимой Fig. 1. Photo of energy efficiency house in winter
На объекте «Энергоэффективный дом» (рис. 1) (Свердловская область, пос. Растущий) [1] была проведена серия исследований по влиянию снежного покрова на эффективность ФЭП.
Многолетние исследования функционирования ФЭП на полигоне НВИЭ Уральского технического университета в Свердловской области высветили ряд проблем, возникающих в процессе эксплуатации. Среди них - две основные:
1. значительное влияние уровня снежного покрова на эффективность работы ФЭП в отопительный период;
2. существенное влияние угла наклона ФЭП в зимний период на эффективность выработки электроэнергии.
На рис. 2 и 3 представлены ФЭП на доме, расположенные под разными углами.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (107) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Рис. 2. ФЭП на крыше дома расположены под углом 30° к горизонту Fig. 2. PV-cells on the roof at an angle of 30° to the horizon
Рис. 3. ФЭП под углом 90° (вертикальное расположение) и 75° к горизонту Fig. 3. PV-cells at an angle 90° (vertical position) and 75° to the horizon
Представленные на графике (рис. 4) данные показывают, что длительное наличие снежного покрова в зимний период в районе средних широт России не позволит эффективно реализовать возможности ФЭП в соответствии с их паспортными характеристиками. Более того, даже небольшой угол наклона ФЭП при выпадении снега и накоплении его на панели приводил на практике к созданию «теневого эффекта» и прекращению выработки энергии.
Исследование влияния снежного покрова проводилось по двум методикам. Первая заключалась в последовательном освобождении от снега одного за другим солнечных ФЭП и определении напряжения холостого хода (ихх), рабочего тока (/к.з.) и эффективной мощности (Ш) солнечной станции (в сравнении с пиковой) (рис. 5). Вторая - в нанесении последовательных слоев снега от 0,5 мм до 2 см.
Рис. 4. Уровень снежного покрова в средней полосе России Fig. 4. Level of snow cover in central Russia
|ГтяЬгп!ГшГ1Г1
Рис. 5. Уровень снежного покрова: a - 80%; b - 60%; c - 20% Fig 5. Level of snow cover: a - 80%; b - 60%; c - 20%
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (107) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
а
b
c
В.И. Велькин. Влияние снежного покрова на эффективность функционирования солнечных ФЭП
Я1 ■ Ч "11
Рис. 6. Фото заснеженных скатов кровли на объекте «Энергоэффективный дом» (строго вертикальное расположение гарантирует функционирование
при любом уровне снежных осадков) Fig. 6. Photo of snow-covered slopes of the roof at the "Energy efficient house" (strictly vertical arrangement ensures operation at any level of snowfall)
Исследования показали, что использование вертикальной (рис. 6) ориентации солнечных ФЭП для районов со снежными осадками в период вероятного выпадения снега существенно эффективнее заснеженных ФЭП, отслеживающих солнце, и тем более классической строгой ориентации, учитывающей широту местности.
Результаты исследований по изменению параметров ихх, 1кз и Ж в зависимости от площади «шунтирования» снежным покровом панелей ФЭП представлены на рис. 7.
На рис. 8 приведен график зависимости относительной эффективности (КПД) вертикально-ориентированной солнечной станции от уровня снежного покрова.
Рис. 7. Влияние площади заснеженной поверхности на эффективность ФЭП: а - зависимость напряжения ихх от площади заснеженной поверхности ФЭП; b - зависимость тока /кз. от площади заснеженной поверхности ФЭП (при W™ =150 Вт); c - зависимость мощности W от площади снежного покрова ФЭП (при W™ = 150 Вт) Fig. 7. The influence of the surface area of snow on the efficiency of solar cells: a - dependence of tension idle of the area covered surface PVS; b - the dependence of short circuit current of the area covered surface PVS (with W™ = 150 W); c - dependence of the power of the snow cover PVS (with W™ = 150 W)
Рис. 8. Зависимость кпд ФЭП от уровня снежного покрова: а - вероятный уровень потерь мощности при вертикальной ориентации; b - потенциальный интегральный выигрыш по мощности при вертикальной ориентации ФЭП; c - точка уровня снега, соответствующая min уровню эффективности при строгой ориентации Fig. 8. The dependence of the solar cells efficiency from the level of snow
cover: a - the likely level of power losses in the vertical orientation; b - the potential benefits of the integrated power in the vertical orientation of the PV; c - the point of the snow level, corresponding to min level of efficiency in the strict orientation
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (107) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
В зимнее время автоматика газового котла на второй день автономной работы энергокомплекса на базе ФЭП будет испытывать проблемы из-за недостаточного напряжения АКБ (инвертор не сможет поддерживать стандартное напряжение 220 В, 50 Гц при напряжении на аккумуляторе менее 24 В).
На рис. 9 представлен график подзарядки АКБ в летний и зимний периоды.
и. В
и Лето •i
Зима г л V
00.00 4Л0 8.00 1100 1ДО 20М 24Л014»
Рис. 9. Влияние времени года на эффективность зарядки АКБ Fig. 9. Effect of season on the efficiency of battery charging
Из графика видно: в летнее время при функционировании автоматики газового котла от системы «ФЭП-аккумуляторная батарея-инвертор» в течение дневного времени успевает полностью подзарядиться АКБ емкостью 45 Ач.
В зимний период из-за сокращения светового дня АКБ классической емкостью 45 Ач не успевает полностью зарядиться от двух ФЭП пиковой мощностью 60 Вт.
Основные выводы
1. Природно-климатический потенциал региона позволяет надежно осуществлять производство электрической энергии на ФЭП для минимальных нужд в течение года и подогрев воды в СК в период с мая по сентябрь за счет использования энергии солнца.
2. ФЭП в составе любого кластера НВИЭ в летний период обеспечивают минимальные потребности в быту - до 500 Вт мощности на 1 квартиру (энергосберегающее освещение, микротелевизор, автоматика газового котла и мини-холодильник).
3. В зимний период ФЭП в составе кластера НВИЭ целесообразно применять только в аварийных ситуациях (при электроемкости АКБ 200-300 Ач на 1 дом обеспечивается резерв питания автоматики газового котла до 1 суток).
4. Определено, что расположение панелей ФЭП в зимний период во всех районах с резко-континентальным климатом России должно быть строго вертикальным.
Список литературы
1. Велькин В.И., Щеклеин С.Е., Попов А.И., Арбузова Е.В. Опыт Свердловской области по комплексному использованию возобновляемых источников энергии в многоквартирном сельском доме. Сб. матер. межд. конгресса «Дни чистой энергии в Екатеринбурге», С.-Петербург, Беллона, Комитет по использованию ВИЭ РосСНИО», 2010. С. 113-114.
2. Велькин В.И., Банных С.М., Емельянова Д.И., Щеклеин С. Е. Обеспечение минимальных потребностей энергоэффективного дома за счет солнечных фотоэлектрических преобразователей. Всеросс. на-учно-практ. конф. «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». Сб. тезисов, Екатеринбург, 2007.
3. Велькин В.И., Банных. С.Е., Щеклеин С.Е. Использование солнечных фотоэлектрических преобразователей на территории объекта. Сборник тезисов «Проблемы безопасности критических инфраструктур территорий и муниципальных образований», Екатеринбург, УрО РАН, 2008.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (107) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
