Обоснование электрических параметров и методов управления режимами работы фотоэлектрических установок для электроснабжения сельских потребителей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Чигак Алексей Сергеевич

• Чигак Алексей Сергеевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Чигак Алексей Сергеевич

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКИХ

ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

1. 1 Особенности электроснабжения сельских потребителей

1.2 Особенности использования возобновляемых источников энергии в сельском хозяйстве

1.3 Использование фотоэлектрических установок в системе электроснабжения

1.4 Анализ основных компонентов фотоэлектрических установок

1.5 Анализ методов определения необходимой мощности солнечных

батарей

1. 6 Постановка цели и задач исследования

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТЕПЕНИ НАГРЕВА НА РЕЖИМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ

2.1 Определение электрических параметров солнечных модулей и батарей

2.2 Моделирование режимов работы солнечного модуля

Выводы по 2 главе

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ

65

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО МОЩНОСТИ

3.1 Методика экспериментальных исследований солнечных модулей

3.2 Материально-техническое и приборное обеспечение эксперимента

3.3 Экспериментальное исследование солнечных модулей

3.3.1 Исследование поликристаллического солнечного модуля

3.3.2 Исследование монокристаллического солнечного модуля

3.4 Результаты экспериментальных исследований

3.4.1 Обсуждение результатов исследования поликристаллического

солнечного модуля

3.4.2 Обсуждение результатов исследования монокристаллического солнечного модуля

3.5 Совершенствование методики определения параметров солнечной батареи в составе фотоэлектрической установки

3.6 Исследование параметров солнечного модуля при изменении внешних

факторов

Выводы

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ РЕЖИМОМ РАБОТЫ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ В СОСТАВЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

4.1 Разработка схемы управления соединением солнечных модулей в

составе фотоэлектрической установки

4.2 Разработка схемы управления и защиты электроприемников постоянного тока

4.3 Разработка схемы управления очисткой поверхности солнечной батареи

от снега

4.4 Выбор параметров компонентов фотоэлектрической установки

Выводы по результатам 4 главы

ГЛАВА 5 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

5. 1 Выбор компонентов фотоэлектрической установки

5.2 Определение эксплуатационных издержек

5.3 Сравнение экономических показателей генератора и гибридных установок

5.4 Разработка рекомендации по выбору фотоэлектрической установки... 147 Выводы по результатам 5 главы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ РАЗРАБОТКИ ТЕМЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование электрических параметров и методов управления режимами работы фотоэлектрических установок для электроснабжения сельских потребителей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Надежное и экономичное электроснабжение сельских потребителей является важной задачей. Для её решения развивается распределенная генерация на базе электростанций малой мощности (не более 15 кВт для частных потребителей по определению Федерального закона от 27 декабря 2019 г. N 471-ФЗ "О внесении изменений в Федеральный закон "Об электроэнергетике") и с использованием возобновляемых источников, для снижения потерь электроэнергии при ее передаче и затрат. При этом важным является надежное и бесперебойное электроснабжение наиболее ответственных электроприемников (холодильники, аварийное освещение помещений и территории, насосы и т.д.) в случае перерывов в электроснабжении. Одним из путей повышения надежности и экономичности бесперебойного электроснабжения сельских жилых домов является использование солнечной энергии [6].

Сегодня в мире действует большое количество солнечных электростанций (СЭС). С принятием Постановления правительства России №449 от 29 мая 2013г. и в нашей стране стали появляться крупные СЭС. Использование таких установок в районах с малой плотностью населения существенно расширяет область их применения, что соответствует Федеральному закону Российской Федерации № 261-ФЗ от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», предлагающему повысить эффективность электроснабжения сельскохозяйственного производства путём развития солнечных электростанций [11, 60, 73] и сокращения финансовых расходов на электроснабжение, так как при этом не требуется инфраструктура для производства электроэнергии традиционным способом с передачей её на большие расстояния при помощи электросетей.

В последнее время особое внимание начало уделяться и розничному рынку. С выходом Федерального закона от 27 декабря 2019 г. N 471-ФЗ "О внесении изменений в Федеральный закон "Об электроэнергетике" в части развития микроге-

нерации" [70] у владельцев фотоэлектрических установок (ФЭУ), соединённых с сетью, мощностью не более 15 кВт, появилась возможность продавать излишне выработанную электроэнергию на розничном рынке электрической энергии. В этом случае появляется возможность полного использования вырабатываемой электроэнергии ФЭУ, снижающее ее стоимость. Этому способствует также отсутствие дорогостоящих аккумуляторов, поскольку электрическая сеть, обеспечивая требуемую надежность электроснабжения, забирает все излишки выработанной электроэнергии.

В этих условиях появляется необходимость выбора компонентов ФЭУ с оптимальными параметрами так, чтобы, с одной стороны, максимально обеспечивать собственное потребление, а с другой - иметь возможность продавать излишки электроэнергии при минимальных затратах на выработку электроэнергии. Однако недостаточность исследований по выбору таких компонентов с необходимыми для потребителя параметрами сдерживает развитие солнечной генерации.

Мы приходим к выводу, что электроснабжение маломощных потребителей с использованием солнечной энергии является особенно актуальным. Наряду с этим важно выбрать солнечную батарею (СБ) по мощности и другие элементы, такие как аккумуляторная батарея, инвертор, контроллер зарядки, входящие в состав установки.

Степень разработанности темы исследования: Исследованиям систем электроснабжения потребителей малой мощности (не более 15 кВт по определению Федерального закона от 27 декабря 2019 г. N 471-ФЗ "О внесении изменений в Федеральный закон "Об электроэнергетике") с использованием солнечной энергии посвящен ряд работ российских и зарубежных авторов. Использованию солнечной энергии посвящены труды Р.А. Амерханова, С.М. Бакирова, А.В. Бастро-на, В.И. Велькина, С.Г. Обухова, И.А. Плотникова, Л.А. Саплина, Д.С. Стребкова, В.А. Тремясова, С.К. Шерьязова, С.Е. Щеклеина, P. Chang, Y.Tang, Y. Huang, J. Zhao, C. Yuan и др. Вопросами влияния природно-климатических факторов на характеристики солнечных модулей (СМ) и ФЭУ занимались А.В. Бобров, С.И. Бондаренко, В.И. Виссарионов, О.В. Григораш, Г.В. Дерюгина, Д.А. Иванов, В.А.

Кузнецова, Б.Ф. Кузнецов, Н.К. Малинин, J. Негшк, Т. Noszczyk, А. Rutkowska и др. Ими показаны возможности использования солнечной энергии в системе энергоснабжения сельских потребителей и повышения эффективности модулей и ФЭУ.

В технической документации солнечных модулей производители приводят данные, полученные в стандартных условиях тестирования ^ТС). Эти данные зачастую недостаточны для выбора, т.к. они получены при одной величине солнечной радиации и температуре, принятых в качестве эталонных значений.

В большинстве существующих методик выбор солнечных батарей для установок солнечного электроснабжения производится по мощности. Так, например, в диссертационной работе Аль Джурни Рагхада А. М. [1] для выбора батареи по мощности используется такой параметр, как количество пиковых солнце-часов, которое нужно вычислять, для наихудшего по удельному количеству поступающей солнечной энергии месяцу. Тогда выработка электроэнергии может быть не согласована с её потреблением по времени. В этом случае не учитывается изменение максимальной мощности батареи при изменении её температуры в годовых показателях.

В работе Дайчмана Р. А. [28] для определения необходимой мощности батареи автором используются пиковые солнце-часы, но не указано, для какого месяца (в отличие от предыдущей работы), также как в методиках выбора в «Информационном ресурсе о применении солнечной энергии и энергосбережении» и электронном ресурсе «Расчёт фотоэлектрической системы - общие сведения». На них тоже приводятся выборы солнечной батареи по мощности при стандартных условиях и без каких-либо уточняющих коэффициентов. Это, возможно, сделано для упрощения расчёта. При этом влияние нагрева самой батареи на изменение её вырабатываемой мощности не учитывается.

В диссертационной работе Шуркалова П. С. [102] при использовании ТММ-контроллера зарядки КПД используемых модулей постоянен и равен паспортной величине, что вносит существенную ошибку в результаты расчета.

В некоторых методиках мощность солнечных батарей рассчитывается в зависимости от величины солнечного излучения, однако не учитывается влияние нагрева.

В действительности же, при эксплуатации, величина солнечной радиации, температура солнечного модуля и окружающей среды изменяются в широких пределах. Это затрудняет согласование по напряжению, мощности и нагрузки в безаккумуляторных системах, особенно в светлое время суток [88, 90, 94]. Недостаточные исследования режима работы модулей без учета условий эксплуатации, в частности температуры их нагрева и соответствующего изменения КПД, не позволяют выбрать солнечные батареи с эффективной мощностью и рационально подобрать другие взаимосвязанные элементы установки, такие как аккумуляторная батарея, инвертор, контроллер зарядки, а также принять меры, поддерживающие стабильное напряжение на выходе солнечной электростанции.

Решение проблемы возможно с учётом температурных коэффициентов максимальной мощности, тока короткого замыкания и напряжения холостого хода. В большинстве современных ФЭУ работают контроллеры слежения за точкой максимальной мощности солнечной батареи. Использование первых двух коэффициентов в рассмотренных методиках не представляется возможным. Непосредственное же использование температурного коэффициента максимальной мощности в расчётах может привести к значительным погрешностям, т.к. предполагается, что его величина постоянна и не зависит от воздействия внешних факторов, что не соответствует действительности. Возникает необходимость рационального подбора других ее компонентов, таких как аккумулятор, контроллер зарядки-разрядки аккумулятора (он же контроллер зарядки), инвертор, коммутационная и защитная аппаратура для обеспечения оптимального режима их работы и солнечной батареи, в частности. С учетом вышесказанного необходимо рассмотреть методику выбора компонентов установки, учитывающую изменение температуры СМ в зависимости от мощности солнечного излучения.

Цель работы - повышение эффективности электроснабжения сельских потребителей путем обоснования электрических параметров фотоэлектрических

установок на стадии проектирования и управления режимами её работы с учетом внешних воздействующих факторов.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить влияние внешних факторов (температуры окружающей среды и удельной мощности солнечного излучения) на электрические параметры солнечной батареи.

2. Смоделировать режимы выработки электрической энергии фотоэлектрической установкой с учетом воздействия внешних факторов.

3. Усовершенствовать методику определения необходимой мощности фотоэлектрической установки с учетом влияния внешних факторов.

4. Обосновать методы управления режимами работы фотоэлектрических установок (управление соединением солнечных модулей, защита электроприёмников от возможных перенапряжений и очистку рабочей поверхности солнечного модуля от снега при его наличии) с учетом отрицательного воздействия внешних факторов.

5. Оценить экономическую эффективность электроснабжения сельских потребителей на основе совершенствованной методики определения электрических параметров фотоэлектрической установки.

Научная новизна:

1. Впервые установлено, что влияние тока нагрузки, протекающего через солнечный модуль, на его нагрев незначительно: оно составляет около 1% по сравнению с нагревом от поглощенного солнечного излучения.

2. Получена зависимость рабочей температуры солнечного модуля от величины мощности солнечного излучения и температуры окружающей среды для оценки потери мощности преобразования.

3. Усовершенствована методика определения электрических параметров солнечного модуля (величины напряжения, тока, максимальной мощности и потери мощности преобразования) в зависимости от воздействующих внешних факторов.

4. Разработаны методы управления режимами работы ФЭУ для поддержания требуемого уровня напряжения (управление соединением солнечных мо-

дулей, устройство защиты электроприёмников от возможных перенапряжений) и максимально возможной выработки электроэнергии (устройство очистки рабочей поверхности солнечного модуля от снега при его наличии).

5. Разработаны методики выбора оптимальных параметров солнечного модуля с учётом потери мощности преобразования и компонентов ФЭУ.

Теоретическая и практическая значимость и реализация результатов работы:

Разработана методика определения максимальной мощности солнечного модуля с учетом изменения его температуры. Обоснована и экспериментально доказана зависимость превышения температуры его нагрева над температурой окружающего воздуха от величины мощности солнечного излучения. С учётом её разработана математическая модель, позволяющая на стадии проектирования ФЭУ определить мощность, вырабатываемую модулями в зависимости от условий окружающей среды.

Разработана номограмма, позволяющая дать рекомендации по выбору солнечных модулей и элементов фотоэлектрической установки для электроснабжения сельских потребителей. Предложены технические решения управления схемой соединения солнечных модулей, защиты электроприёмников от возможных перенапряжений и сокращения времени простоя при наличии снега на поверхности солнечного модуля, позволяющие повысить эффективность использования фотоэлектрической установки путем выработки качественной электроэнергии (новизна предлагаемых решений защищена Патентами РФ).

Разработаны рекомендации по выбору солнечных модулей и элементов фотоэлектрической установки в системе электроснабжения сельских потребителей на основе разработанной номограммы.

Разработанные на основе результатов диссертационной работы рекомендации по выбору параметров солнечных батарей и компонентов фотоэлектрической установки в системе электроснабжения сельскохозяйственного производства внедрены в НПО «Юпитер» и в ПТ «ЗАО Челябинскагропромэнерго и Компа-

ния», что подтверждается соответствующими актами внедрения (Приложения А -

В).

Методы исследований: теоретические основы электротехники и электроники, экспериментальный метод, численный метод, математическое моделирование с обработкой расчетных и экспериментальных данных.

На защиту выносятся:

1. Результаты моделирования параметров солнечного модуля в зависимости от внешних факторов.

2. Результаты экспериментальных исследований по установлению зависимости температуры солнечного модуля от величины мощности солнечного излучения и температуры окружающей среды.

3. Методика определения вырабатываемой мощности солнечного модуля с учетом потери мощности преобразования и поправок для определения параметра температурного коэффициента мощности в зависимости от внешних факторов.

4. Устройства управления режимом работы фотоэлектрической установки, позволяющие осуществить управление схемой соединения солнечных модулей, защиту электроприёмников от возможных перенапряжений и очистку рабочей поверхности солнечного модуля от снега при его наличии.

5. Методика рационального выбора параметров фотоэлектрической установки.

6. Разработанная номограмма, позволяющая по заданной величине солнечного излучения определить ожидаемые потери мощности преобразования в зависимости от температуры окружающей среды и типа солнечного модуля, а также его КПД с учетом вносимых поправок.

Апробация результатов.

Материалы диссертационной работы докладывались и получили одобрение:

- на Международных конференциях: ЮУрГАУ (г. Челябинск, 2015-2019 гг.), ЧГАА (г. Челябинск, 2012-2015 гг.), «Natural Resource Conservation and Agricultural Engineering» (Улан-Батор, 2015 г.), ТГТУ имени Ислама Каримова (г. Ташкент, 2021 г.),

- на всероссийской конференции - «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (ВИЭСХ, г. Москва, 2014 г.);

- на всероссийской научно-практической конференции УрФУ (г. Екатеринбург, 2011-2020 гг.).

Публикации. По основным положениям диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 3 работы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, 3 работы в изданиях, индексируемых в базе SCOPUS, получены три Патента Российской Федерации на полезную модель (Пат. № 156898, № 159285, № 169565).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы в количестве 134 наименований, приложений.

Объем диссертационного исследования составляет 220 страниц машинописного текста, в данный объем входят 167 страниц основного текста, содержащего список литературы, 84 рисунка, 14 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Чигак Алексей Сергеевич

Для большинства бытовых приборов переменное напряжение с упрощённой формой сигнала использовать допустимо. Синусоидальный сигнал необходим для телекоммуникационных, измерительных приборов, лабораторных установок и стендов, профессиональной, медицинской аппаратуры, а также ламповой, HI-FI- и HI-END-аудиоаппаратуры.

Номинальное напряжение автономного инвертора иинв принимается равным напряжению АБ. В случае использования сетевого инвертора выбор постоянного входного напряжения производится с учётом диапазона напряжений СБ до величины ХХ. Максимальное входное напряжение сетевого инвертора должно быть не ниже напряжения ХХ подключаемой СБ.

Выбор контроллеров зарядки.

Для каждого типа контроллеров есть свои особенности выбора, которые зависят от состава, типа и режимов эксплуатации ФЭУ.

При выборе типа контроллера необходимо учесть, что КПД ТММ-контроллеров ниже, чем ШИМ-контроллеров. Поэтому использование ТММ-контроллеров не всегда оправдывает их высокую стоимость. Рекомендуется такие контроллеры применять в следующих случаях:

1. если напряжение СБ нестандартное (например, СБ состоит из аморфных СМ),

2. если солнечная батарея находится на большом расстоянии от АБ - в этом случае необходимо передавать электроэнергию при более высоком напряжении для уменьшения потерь мощности в соединительных проводах,

3. если часто бывает пасмурная погода. В этом случае можно соединить модули в СБ на более высокое напряжение. Напряжение в ТММ повысится, и оно станет выше напряжения АБ, даже в пасмурную погоду. Это позволит заряжать АБ при пониженных величинах солнечного излучения,

4. при мощности солнечных батарей более 300-500 Вт.

Для обоих типов контроллеров максимально допустимое напряжение СБ не должно быть на 20% больше напряжения холостого хода. Запас в 20% необходим потому, что в морозную солнечную погоду напряжение СБ может быть выше, чем паспортное, замеренное при +25ОС.

Необходимо учитывать, что максимальное рабочее напряжение ТММ- контроллера ниже, чем указанное в его характеристиках.

Выбор номинального тока контроллера зарядки для ШИМ- и ТММ-контроллеров имеет свои особенности.

ШИМ-контроллер выбирается по току КЗ СМ, желательно с 10% запасом. Т.е если ток СМ мощностью 100 Вт в ТММ равен 6 А, ток короткого замыкания около 6,9А, то контроллер должен иметь номинальный ток не менее 7,5А. Ближайший по номиналу будет на 10А.

Если в контроллере зарядки есть функция контроля нагрузки, то нужно еще учитывать и ток разрядки - он должен быть не больше номинального тока контроллера зарядки.

ТММ-контролер выбирается по мощности. Если максимальный ток контроллера, например, 50 А и система работает при напряжении 48 В, то наибольшая мощность, которую сможет пропустить через себя контроллер - 2900 Вт. Эта мощность обычно указывается производителями. Однако, к грамотному расчету эта цифра мало относится. Если аккумуляторы разряжены, напряжение их будет 42 ^ 44 В, при этом наибольший ток составит 50 А и будет соответствовать мощности СБ 2200 Вт. Рекомендуется выбирать контроллер так: мощность СБ делить на напряжение АБ в разряженном состоянии.

Разработанная методика выбора СМ в составе ФЭУ может быть использована при разработке систем электроснабжения сельскохозяйственного производства с применением ФЭУ малой мощности. Данная методика позволяет определить оптимальные параметры компонентов и рекомендуется к использованию при проектировании систем электроснабжения. Кроме того, потребительские качества таких ФЭУ дают возможность каждому жителю сельской местности самостоятельно установить и эксплуатировать её, что способствует более широкой доступности сельских жителей к благам цивилизации и достижениям научно-технического прогресса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чигак Алексей Сергеевич, 2025 год

Литература:

1. Российская Федерация. Законы. О внесении изменений в Федеральный закон "Об электроэнергетике" в части развития микрогенерации" : федер. закон : принят Гос. Думой 23 дек. 2019 г., № 471 // Российская газета. - 2019. - 30 декабря.

2. Крупнейшие солнечные электростанции в мире [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://nag.ru/articles/article/102443/krupneyshie-solnechnyie-elektrostantsii-v-mire.html

3. Одиннадцать самых крупных солнечных электростанций России [Электронный ресурс] // RECYCLE. - Режим доступа: https: //recyclemag.ru/article/top-krupneishih-solnechnih-elektrostantsii-rossii.

4. Российская Федерация. Законы. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации : федер. закон : принят Гос. Думой 23 нояб. 2009 г., № 261 // Российская газета. - 2009. - 27 ноября.

5. ГОСТ Р 51594-2000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Термины и определения. - М. : Стандартинформ, 2012.

6. Шерьязов, С. К. Возобновляемые источники в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей : монография / С. К Шерьязов. - Челябинск : ЧГАУ, 2008. - 300 с.

7. Таблица метеорологических наблюдений ТМС за июнь 2015 г., г. Челябинск.

8. Таблица метеорологических наблюдений ТМС за декабрь 2016 г., г. Челябинск.

9. Таблицы метеорологических наблюдений ТМС за август 2012-2015 гг., г. Челябинск.

10. Sheryazov, S. К. Research of energy characteristics of solar batteries. 2019 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing / S. К. Sheryazov, A. S. Chigak, S. T. Taimanov // 2019 International Conference on Indus-

trial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2019 (25-29 of March, 2019). — [Sochi] : 2019. — P. 1-5. - DOI: 10.1109/ICIEAM.2019.8743093.