Экспериментальные исследования модульной солнечной электростанции в различных погодных условиях при изменении угла падения солнечных лучей

АННОТАЦИЯ

Расчётно-экспериментальные исследования модульной солнечной электростанции, как актуального направления развития эффективного использования потенциала солнечной энергетики независимо относительно электросетей. Вопросы изменения эксплуатационных характеристик солнечных станций мощностью до 5 кВт мало освещены и настоящая работа призвана частично заполнить существующий пробел. В работе проводится анализ влияния климатических условий, степени загрязнения и угла падения солнечных лучей на работу фотоэлектрического модуля. Представлены результаты исследования работы экспериментальной установки в г.Москве.

ABSTRACT

Calculated and experimental researches of a modular solar electrical generating station, as an actual direction for the development of the effective use of the potential of solar energy, independently of electrical grids. The operating characteristics of solar stations with a power of up to 5 kW are not well research and this article is intended to partially fill the existing gap. This paper analyzes the influence of climatic conditions, the degree of pollution and the angle of incidence of sunlight on the operation of a photovoltaic module. The results of the study of the experimental installation in Moscow are presented.

Ключевые слова: автономная фотоэлектрическая станция, солнечная энергетика, энергоэффективность, возобновляемые источники энергии, солнечная батарея.

Keywords:  autonomous photovoltaic station, solar energy, energy efficiency, renewable energy, photovoltaic panel.

Преобразование солнечного излучения фотоэлектрическими элементами одно из самых перспективных направлений в области общей электроэнергетики. Около 2 млрд. людей в мире не имеют доступа к централизованному энергоснабжению [6]. С развитием эффективности и снижении себестоимости преобразования солнечной энергии в электрическую солнечная энергетика будет постоянно развиваться, в том числе благодаря близости к потребителю и автономности от линий электропередач.

Развитию солнечной энергетики в РФ способствует её территориальное расположение. Согласно количественной оценке центрального диспетчерского управления топливно-энергетического комплекса (ЦДУ ТЭК), уровень солнечной радиации варьируется от 810 до 1400 кВт*час/м² в год начиная с северных и заканчивая южными широтами [9]. Количество солнечной энергии поступающей на поверхность Земли зависит от состояния атмосферы, продолжительности солнечного дня и сезонных колебаний погоды, но в первую очередь от облачности. Перепады солнечной активности для г.Москвы варьируются от 1.69 кВт*ч/м² в январе и до 11.41 кВт*ч/м² в июле [9]. Поэтому изучение влияния погодных условий, оптимальной ориентации, угла наклона панелей и т.д. на параметры работы солнечной батареи в естественных условиях их эксплуатации является актуальной задачей, способствующей повышению эффективности разрабатываемых модульных солнечных электростанций и алгоритмов управления ими.

На диаграмме (рис.1.) представлены усредненные значения потенциальной выработки солнечной энергетики ПВт*ч в год, на территории РФ [2]:

Рисунок 1. Потенциал солнечной энергетики России, (ПетаВт*ч) в год

В настоящей работе, проводится анализ взаимосвязи основных параметров на эффективность солнечной электрогенераторной установки на основании экспериментальных исследований в Московском регионе.

Описание испытательной установки

Солнечные электростанции функционируют благодаря фотовольтаическому эффекту при воздействии света на поверхность вещества, электроны начинают перемещаться между анодом и катодом внутри панели [3], состоящей обычно из нескольких слоёв полупроводниковых материалов.

Для проведения экспериментальных исследований была спроектирована и собрана фотоэлектрическая установка (ФЭС). Основные элементы автономной ФЭС: 1 - солнечные батареи (3 шт по 330 Вт), состоящие из набора последовательно - параллельно соединенных фотоэлектрических модулей; 2 - преобразователь постоянного напряжения (DC 135V /DC 24 V), работающий под управлением контроллера с функцией поиска точки максимальной мощности; 3 - выходной инвертор (DC / AC 4 кВт); 4 - накопитель энергии, например, блок аккумуляторных батарей – АБ (2*200  Aч), и соединительный провод (рис 2.) [7].

Рисунок 2. Схема автономной фотоэлектрической станции: 1-Модуль солнечных, 2- солнечный контроллер, 3- инвертор 4 кВт; 4 - аккумуляторная батарея VRLA

Были выбраны монокристаллические панели, как одни из наиболее долговечных (до 30 лет эксплуатации) и эффективных промышленно выпускаемых.

Контроллер мощности для солнечных панелей - ключевой элемент, определяющий эффективность всей системы в целом. В настоящее время наиболее эффективный алгоритм управления – слежение за точкой максимальной мощности (эффективнее ШИМ алгоритмов до 30%). Отличительная особенность алгоритма заключается в изменении внутреннего входного сопротивления, в следствии чего изменяется напряжение солнечной установки. Происходит расчет и сравнение мощности относительно прошлой итерации и контроллер сдвигает рабочую точку в направлении к точке максимальной мощности [7].

Все ключевые элементы цепи: «солнечный массив — контроллер — аккумуляторная батарея — инвертор» соединены между собой проводами разных сечений, выбор которых производился в соответствии с ГОСТ 22483-2012 [4]. 

Фактическая инсоляция на произвольном участке поверхности зависит от её ориентации относительно юга, угла наклона к горизонту, конфигурации искусственных теней (сооружения, деревья и т.п.), температуры, и самое главное — географической широты [10]. Ключевая характеристика ФЭС - количество электроэнергии, выработанной за период. На рис.3 представлена расчетная выработка электроэнергии разработанной ФЭС, за каждый месяц года в соответствии со значениями солнечной инсоляции для г. Москва.

Рисунок 3. Предполагаемая суточная выработка электроэнергии по месяцам

На графике также приведена среднегодовая выработка электроэнергии 3 кВт*ч в сутки в период с марта по сентябрь. Преимущество экспериментальной ФЭС её масштабируемость примерно кратностью 1 кВт.

Из анализа рис.3 следует, что эффективность получения энергетических потоков в зимние месяцы нецелесообразна (только в случае отсутствия альтернативных источников получения электроэнергии). Также к замедляющим факторам развития солнечной энергетики относят:

1. Высокую стоимость АБ и проблемами их утилизации;
2. Загрязнение природных сред при производстве фотопанелей;
3. Влияние времени суток и погодных условий на широкий диапазон колебаний выходной мощности и напряжения ФЭС, что повышает технические требования к солнечному контроллеру и системам химического резервирования электроэнергии;
4. Большие площади поглощения солнечной энергии, что может приводить к проблемам: отчуждения земель, изменение теплового баланса и влажности из-за воздействия на растительность и почвы (затенение и поверхностный нагрев воздуха над панелями).

В настоящее время, возобновляемые источники энергии находят применение преимущественно в автономных системах энергоснабжения небольшой мощности расположенных в отдаленных районах, где подключение дополнительных мощностей затруднено.

Экспериментальные исследования

Рассчитанная испытательная установка была установлена в г. Москве. Рабочая поверхность СБ была ориентирована на юг, измерения проводились при различных углах наклона солнечной панели к поверхности Земли в сентябре 2018 года в полдень ясного и пасмурного дня. Экспериментальная оценка влияния освещенности и температуры на эффективность работы солнечных батарей проводилась при изменении угла наклона солнечного модуля относительно горизонтального положения с интервалом 15 ⁰.

Ниже приведены полученные графики зависимости тока в точке максимальной мощности от угла наклона фотоэлектрического модуля относительно горизонтального положения в ясный и пасмурный день (рис.4 и 5)

Наибольшая эффективность составляла при наклоне панели 45° в южном направлении. Экспериментально подтвердилось, что чем чище рабочая поверхность панели, тем больше коэффициент преобразования световой энергии в электрическую [11].

Согласно полученным данным для угла наклона солнечной панели 45° запыленной поверхностью рабочий ток составил 7,3 А, а после очистки ток составил 9А:

                                       (1)

Результаты для других углов наклона см. на рис.4.

Рисунок 4. Зависимость тока в точке максимальной мощности от угла наклона солнечного модуля в ясный день

Рисунок 5. Зависимость тока в точке максимальной мощности от угла наклона солнечного модуля в ясный и пасмурный день

Известно, что повышение температуры и нагрев солнечных элементов в солнечных модулях оказывает отрицательное влияние на работу солнечных батарей снижая фотоэффект и выработку электроэнергии.

Рисунок 6. Пирометрические картины солнечного модуля:

а) в ясный день; б) в пасмурный день

Как видно из пирометрических диаграмм, температура на поверхности ФЭП в ясный день (рис.6.а.)  составила 36⁰С (окружающей среды 18 ⁰С), а в пасмурный 12⁰С (окружающей среды 8 С) (рис.6.б) при этом напряжение увеличилось со значения 104 В до 116 В. Полученная характеристика представленная на рис. 7 имеет линейную зависимость напряжения модуля от температуры в соответствии с температурным коэффициентом выбранной солнечной панели -0,5 В/⁰С.

Рисунок 7. Зависимость напряжения на массиве от температуры поверхности солнечных батарей

Разность температур внутри отдельных ячеек в ясный день вызвана более плотным прилеганием алюминиевой подложки к поверхности самих монокристаллических пластин, обеспечивая тем самым лучший теплоотвод от поверхности. Для повышения общей эффективности целесообразно устанавливать солнечные панели в продуваемых местах (с хорошим естественным охлаждением).

По результатам испытаний была рассчитана выходная мощность солнечного модуля в реальных условиях эксплуатации и сопоставлен с номинальными заводскими показателями при стандартных условиях испытаний (СУИ) (рис.8).

Рисунок 8. Удельная поверхностная мощность массива при разном наклоне солнечной панели

Заключение

Экспериментальные исследования модуля солнечной электростанции в различных погодных условиях после аналитической обработки результатов позволили сделать следующие выводы:

1.  Рабочий ток солнечной панели в ясный день увеличивается в ⁓ 6 раз, вне зависимости от угла наклона панели;

2.  Отклонения от оптимального угла наклона (до 5 градусов) снижают производительность модулей не более чем на 2%;

3. В пасмурную погоду солнечный модуль имеет наибольший ток отдачи при значении угла наклона панелей 30⁰ в связи с большим рассеиванием солнечных лучей в атмосфере;

4. Эффективность преобразования солнечного излучения в электроэнергию зависит от освещенности, и изменения температуры на поверхности панелей;

5. Загрязнение солнечной панели в сентябре сильнее влияет на выходные показатели солнечной панели нежели угол наклона батареи. 

Список литературы:
1. Базилевский А.Б., Лукьяненко М.В. Анализ энергетических возможностей солнечной батареи при различных условиях эксплуатации // Авиационная и космическая техника. – 2004. – № ? – С. 100-103.
2. Баринова В.А., Ланьшина Т.А. Особенности развития возобновляемых источников энергии в России и в мире // Российское предпринимательство. – 2016. – Т. 17. – № 2. – С. 259-270.
3. Бубенчиков А.А., Молодых В.О. Солнечная энергия как источник электрической энергии // International research journal. – 2016. – Т. 47. – № 5. – C. 59-62.
4. ГОСТ 22483-2012 (IEC 60228:2004) Жилы токопроводящие для кабелей, проводов и шнуров (с поправкой).
5. Дубинин Д.В., Лаевский В.Е. Энергетическая эффективность работы солнечных батарей в реальных режимах эксплуатации // Известия Томского политехнического университета. – 2015. – Т. 326. – № 3. – C. 58-62.
6. Исследование: около миллиарда жителей Земли не имеют доступа к электричеству // ТАСС [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://tass.ru/obschestvo/5172029 (дата обращения 21.02.2019).
7. Обухов С.Г., Плотников И.А. Имитационная модель режимов работы автономной фотоэлектрической станции с учетом реальных условий эксплуатации // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2017. – Т. 328. – № 6. – С. 38-51.
8. Саврасов Ф.В., Ковалев И.К. Исследование эффективности работы солнечной батареи в полевых условиях // Энергетика. – 2012. – № ? – С. 165-168.
9. Солнце на службе человека // Центральное диспетчерское управление топливно-энергетического комплекса [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.cdu.ru/tek_russia/articles/6/41/ (дата обращения: 20.02.2019).
10. Chiantore P.V., Watson J. Operation & Maintenance. Best Practices Guidelines / Version 3.0. 2018. Р. 96.
11. George A.М. Utility-scale solar photovoltaic power plants. International Finance Corporation. 2015. Р. 206.