science-review.ru
В своем обращений Президента Туркменистана Гурбангулы Бердымухамедова к участникам Международной научной конференции «Инновационные технологии в использовании возобновляемых источников энергии» в декабре 2014 года сказал: «Туркменистан - государство, обладающее огромными запасами наземных и подземных богатств, углеводородных и горно-минеральных ресурсов, богатое на солнечную энергию и пустынный песок, имеющий в своем составе кремний. Наша главная задача - рациональное использование этих богатств, сохранение их для будущих поколений, производство из песка Каракумов и экспорт на мировые рынки кремния, являющегося базовым химическим элементом для создания оборудования, позволяющего получать экологически чистую электроэнергию» [1].
Для повышения эффективности и обеспечения наибольшего прихода солнечной радиации на рабочую поверхность существуют рекомендации по ориентации наземных стационарных солнечных установок (CУ) в зависимости от широты местности и времени года. Эффективность использования СУ можно повысить и применением систем слежения за Солнцем, которые позволяют увеличить выходную мощность ФЭП и дневной интервал генерирования электрической энергии. Существуют системы слежения за Солнцем с частичной (азимутальной) или полной (азимутальной и зенитальной) ориентацией[10-12].
Целесообразность их использования в СУ должно обосновываться проведением необходимых исследований и расчетов.
Исследования математической модели. Наиболее эффективным методом исследования СУ является имитационное моделирование, позволяющее по сравнению с натурными экспериментами учесть влияние на энергетические характеристики СУ большого числа пара- метров и сократить затраты времени и средств на проведение необходимых расчетов и исследований.
В основу математического моделирования была заложена классическая модель фотопреобразователя с p-n переходом [11]:
(1)
где U - напряжение, В; k - постоянная Больцмана; T - рабочая температура ФЭП, К; q - заряд электрона; Jф - фототок, пропорциональный интенсивности солнечного излучения I, падающего на поверхность ФЭП, (Jф/I = const) А/см2; J - ток, А/см2; Jo – обратный ток насыщения, определяемый свойствами исходного полупроводника, определялся из выражения (1) при условии J=0 и U=Uxx , А/см2; R - внутреннее электрическое сопротивление, Ом/см2; A - безразмерный параметр кривизны вольт-амперной характеристики (ВАХ), A = 1….2.
Для исследования режимов работы СУ с ФЭП была разработана математическая модель, реализованная в программной среде. В целях ее апробации построены вольт-амперной характеристики (ВАХ) и ватт-амперная характеристика (ВВХ), для модуля ФЭП состоящего из параллельно соединенных блоковпри стандартных условиях освещения АМ1Io=1000 Вт/ м2 и рабочей температуре. Фотоэлементы из монокристаллического кремния имеют следующие характеристики: Joкз=2,74А/м2; Uxx=22В; R=1Ом·см2; площадь S=0,3792м2. Фотоэлектрический модуль, по паспортным данным, выдает максимальную мощность Рmax=49,4 Вт, Uxx=20.6В, Iкз=2,4А, оптимальное рабочее напряжение Uопт=16,3В и ток Jопт=2,75А мощность Ропт = 44,8 Вт.
Как видно из рис. 1 (а), полученные теоретические расчеты вольт-амперных характеристик (ВАХ)математической модели совпадают с паспортными данными, что подтверждает адекватность разработанной модели.
Однако реальные характеристики ФЭП значительно отличаются от стандартных, вследствие изменения параметров внешней среды (интенсивности солнечного излучения и температуры воздуха), которые зависят от географического положения предполагаемой эксплуатации установки, времени года, суток и степени ориентации СУ на Солнце.
Влияние изменения интенсивности солнечного излучения и рабочей температуры на ВАХ ФЭП, можно записать в виде выражений [5-9,11]:
(2)
(3)
где Joкз и Uoхх - исходный ток короткого замыкания и напряжение холостого хода, измеренные при стандартных условиях освещения АМ1(Iо=1000 Вт/м2) и рабочей температуре (T=25°C 0); ΔJI, DUI1, DUI2 - поправки, учитывающиеизменение плотности потока солнечного излучения; ΔJ T, DU T - поправки, учитывающие изменение рабочей температуры:
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
где RI1- последовательное сопротивление элемента; к- коэффициент, зависящий от типа солнечного элемента, 0.5≤ k ≤1.5[2]; βI, βu - температурные коэффициенты тока и напряжения, 1/°С.
При определении интенсивности солнечной радиации (прямой, рассеянной и суммарной) на горизонтальную поверхность при математическом моделировании использовались данные многолетних наблюдений [13]. Для исключения интервалов, интенсивности в которых не известны, использовался метод полиноминальной аппроксимации [2-7,11,12].
Суммарная интенсивность солнечного излучения на стационарную наклонную поверхность, ориентированную на юг была рассчитана по выражению [10-12]:
(9)
где IП, IД, - интенсивностью прямого и рассеянного (диффузного) солнечного излучения на горизонтальную поверхность, Вт/ м2; θ - угол между направлениями на Солнце и зенит в град., определяется по формуле (10); ξ - угол между направлением на Солнце и нормалью к наклонной поверхности, ориентированной на юг в град. определяется по формуле (11); β - угол наклона рассматриваемой поверхности к горизонту в град.; ρ - коэффициент отражения (альбедо) поверхности Земли и окружающих тел [11].
cosθ=sinδ sin?+cosδ cos? cosω. (10)
cosξ=sin(?-β)sinδ+cos(?-β)cosδ cosω,(11)
где δ - склонение Солнца, определяется по формуле Куперав град [1], ? - широта местности, в град.; ω - часовой угол движения Солнца, в град.
Часовой угол рассчитывался по формуле [5]:
(12)
где t solar- локальное солнечное время в часах.
Расчет суммарной интенсивности солнечного излучения на приемник, расположенный под углом β и ориентирующийся на Солнце только по одной координате (азимутальное слежение) производился по формуле (9), с разницей в нахождении угла между направлением на Солнце и нормалью (вместо ξ используется i). Данный угол определялся по формуле [8-11]:
где aП- азимут приемника.
При слежении за Солнцем по азимуту, азимут приемника равен азимуту Солнца ( aп=a) и определялся по формуле [6-11]:
(14)
где α - угол высоты Солнца, определялся по формуле:
α=arcsin(sinδ sin?+cosδ cos?cosω)⇒α=arcsin(cosθ). (15)
Суммарная интенсивность солнечного излучения при полной ориентации поверхности была рассчитана по выражению [1]:
(16)
Для расчета температуры окружающего воздуха были привлечены ежечасные данные по температуре окружающего воздуха, приведенные в справочнике [13] и применялась аналитическая зависимость изменения температуры воздуха в течение времени, учитывающая среднесуточную, суточную амплитуду, период изменения температуры воздуха [7-12].
Все вышеприведенные выражения были учтены в разработанной математической модели. На рисунке 1 приведены результаты теоретических расчетов на основе математической модели вольт-амперной характеристики (ВАХ) и ватт-амперная характеристика (ВВХ) ФЭП:
Результаты экспериментальных исследований. Нами разработана мобильная солнечная фотоэлектрическая станция, представляющая в виде чемодана (дипломата) встроены с одной стороны фотоэлектрический модуль, с другой стороны встроены принадлежащие к станции оборудования (инвентарь, аккумулятор, угломер и ножки для крепления станции). Исследования мобильной станци проведены в дайханском объединений ХатабАтамыратскогоэтрапа (района) Лебапскоговелаята (области) Юго-Восточного
Туркменистан находящийся: 38° северной широты; 53° восточной долготы. Экспериментальные исследования проведены в двух режимах: станция ориентирована на юг с изменением угла наклона; станция ориентирована на юг с изменением угла наклона и слежения за солнцем. Результаты экспериментальных вольт, ватт-амперных характеристики модуля ФЭП при теоретических расчетах, без слежения стандартной с ориентацией на юг под углом к горизонту 60°, со слежением азимутальным под углом к горизонту 60°, ориентацией слежения за солнцем, 18 мая 2015 года в 10 часов, приведены на таблице 1 и рис. 2.
Таблица 1
Теоретических расчетов фотоэлектрического модуля и экспериментальные исследования со слежением и без нее.
|
Энергетические параметры |
Теоретические расчеты |
Со слежением |
Без слежения |
|
R -Солнечная радиация Вт/ кв.м |
1094,891 |
912,4088 |
729,927 |
|
I кз- Сила тока (А) |
3 |
2,5 |
2 |
|
Uхх - Напряжения (В) |
21,2 |
21,1 |
20 |
|
I опт- Сила тока (А) |
2,7 |
2 |
1,5 |
|
Uопт – Напряжения (В) |
16,5 |
15 |
15 |
|
Р опт – мощность (Вт) |
44,55 |
30 |
22,5 |
|
η- кпд (%) |
15,41753 |
15,3448 |
14,54484 |
а – ВАХ
б – ВВХ
Рис. 1. Характеристики модуля ФЭП при теоретических расчетах, стандартных без слежения с ориентацией на Юг: а – ВАХ 21 мая в 10 часов; б – ВВХ
Регрессивная зависимость и коэффициент корреляционная при теоретических расчетах на основе математической модели мобильной станции фотоэлектрической станции:
вольт-амперной характеристикиравна: у= -0,1127х+3,7694; R2=0.4961;
вольт-ваттная характеристика: y=10,022x+ 8,551; R2=0,3486.
а – ВАХ
б – ВВХ
Рис. 2. Характеристики модуля ФЭП при теоретических расчетах, без слежения стандартной с азимутальным ориентацией на Юг под углом к горизонту 60°, со слежением за солнцем:а – ВАХ 18 мая в 10 часов; б – ВВХ
Регрессивная зависимость и коэффициент корреляционная при экспериментальных исследованиях мобильной станции фотоэлектрической станции:
ВАХтеоретический у=-0,104х+3,0434; R2=0.6203;
ВАХ со слежением за солнцем: у = 0,0818х+2,4356; R2=0,5804;
ВВХ без слежения за солнцем ориентированной на юг: у=7,1586х+5,8938; R2= 0,2361;
ВВХ со слежением за солнцем с поворотом на 60 градусов: у=7,9471х+8,2286; R2=0,2599.
Результаты компьютерного моделирования и их обсуждение. Результаты моделирования работы модуля ФЭП, характеристики которого приведены выше, для климатических условий юго-восточных районов Туркменистана (? = 38°), в 10 ч локального солнечного времени 18 мая представлены на рис. 2. Анализ показывает, что выходная мощность модуля ФЭП с системой слежения за Солнцем в указанное время значительно больше мощности стационарного. Полная ориентация модуля на Солнце дает практически те же характеристики, что и при частичной (азимутальной) ориентации. Следовательно, проведение подобного сравнительного моделирования для круглогодичного периода позволит дать оценку о целесообразности применения систем автоматизированного слежения в СУ с ФЭП.
Выводы. Математическая модель позволяет оценить влияние на выходные характеристики модуля ФЭП, как внутренних (число последовательно, параллельносоединенных элементов, внутреннего сопротивления), так и внешних факторов(интенсивности солнечного излучения, температуры воздуха, степени ориентации модуля ФЭП на Солнце в зависимости от времени года и суток).
Сравнение полученных при моделировании значений интенсивностисолнечного излучения с данными, приведенными в таблице 1 и рис.1 показало, что погрешность не превышает 12%, а температуры окружающего воздуха с данными,приведенными в справочнике по климату - 5%. Сопоставление значений JoК.З., UoХХ, P maxполученных при моделировании со значениями, приведенными в паспортных данныхмодуля ФЭП, подтверждает адекватность разработанной модели.Со слежением мощность и сила тока увеличивается на 15 % ,естественно и КПД увеличивается на 1% в 10 часов утра.
Математическую модель можно использовать для оценки целесообразности применения систем автоматического слежения в СУ с ФЭП.
Библиографическая ссылка
Пенджиев А.М., Астанов Н.Г. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОБИЛЬНОЙ СОЛНЕЧНОЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ // Научное обозрение. Технические науки. – 2016. – № 6. – С. 79-83;URL: https://science-engineering.ru/ru/article/view?id=1134 (дата обращения: 26.04.2024).