Повышение эффективности автономных солнечных фотоэлектрических установок для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат наук Ахметшин Артур Талгатович

• Ахметшин Артур Талгатович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Ахметшин Артур Талгатович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Особенности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей России и Республики Башкортостан

1.2 Экономические и экологические предпосылки развития СФУ

1.3 Способы повышения эффективности СФУ

1.4 Классификация и обзор СФУ с системами слежения за Солнцем

1.5 Обзор и анализ математических и имитационных моделей для исследования СФУ

Выводы по главе

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ И ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛИ СОЛНЕЧНОЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Разработка математической модели СФУ

2.2 Разработка имитационной модели СФУ 51 Выводы по главе

3 ПРОГРАММА, СРЕДСТВА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Программа экспериментальных исследований

3.2 Описание экспериментальной СФУ

3.3 Средства контроля и измерения, применяемые при проведении экспериментов

3.4 Методика экспериментальных исследований 76 Выводы по главе

4 РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ 83 ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Математическая обработка результатов экспериментов

4.2 Верификация, оценка адекватности и проблемный анализ

разработанных математической и имитационной моделей

4.3 Сравнительный анализ значений интенсивности солнечного излучения, определённых методом «светового эквивалента» и регистрируемых информационно-измерительным комплексом

4.4 Сравнительный анализ выходных энергетических характеристик, полученных имитационным моделированием с характеристиками, снятыми с экспериментальной СФУ

4.5 Исследование влияния степени пространственной ориентации СФУ на эффективность работы установки с учетом климатических и географических факторов, на примере условий РБ

Выводы по главе

5 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ СЛЕЖЕНИЯ ЗА СОЛНЦЕМ В СФУ

5.1 Расчет удельной стоимости СФУ без системы и с системами слежения за Солнцем

5.2 Определение выходной мощности единичной площади СФЭ в СФУ без системы и с системами слежения за Солнцем

5.3 Расчет удельной стоимости СФУ с единичной площадью СФЭ с системами и без системы слежения, отнесенной к единице вырабатываемой мощности

5.4 Расчет экономической эффективности и срока окупаемости

систем слежения за Солнцем в СФУ

Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности автономных солнечных фотоэлектрических установок для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Сельскохозяйственный сектор экономики России является одним из крупнейших потребителей энергоресурсов. Для устойчивого развития сельскохозяйственного производства, особенно в сложившихся условиях ускоренного импортозамещения, электроснабжение сельскохозяйственных потребителей находится в числе приоритетных задач.

Особенности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, связанные с большой протяженностью электрических сетей, при относительно малой мощности электроустановок, сезонным характером нагрузки, а также непродолжительностью использования установленной мощности, вызывают значительные потери электроэнергии и увеличивают затраты на её передачу. Кроме того, из-за большого износа электрических сетей существует проблема по обеспечению надёжности электроснабжения данных потребителей. Все это, в свою очередь, ведет к снижению эффективности производства сельскохозяйственной продукции.

Одним из способов решения существующих проблем электроснабжения сельскохозяйственных потребителей является применение распределенной генерации на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Следует также отметить, что в перспективных планах развития электроэнергетики России, связанных с созданием интеллектуальной активно-адаптивной сети и местных микросетей, увеличению масштабов использования ВИЭ, в частности энергии Солнца, уделяется особое внимание.

Несмотря на известные достоинства солнечной энергии, её практическое использование, как источника электрической энергии в РФ, не получило еще заметного распространения. К препятствиям активного внедрения солнечных фотоэлектрических установок (СФУ) относят высокую стоимость и низкий КПД солнечных фотоэлектрических элементов (СФЭ), нестабильность вырабатываемой ими электрической энергии, связанной с пространственно-

временной изменчивостью поступления солнечной радиации, её рассеянностью, низкой плотностью.

Известным способом повышения эффективности СФУ, путем максимального использования поступающей солнечной энергии, является применение систем слежения, которые позволяют изменять её пространственную ориентацию относительно Солнца. Однако влияние пространственной ориентации СФУ на эффективность её работы с учетом временных, географических и климатических факторов исследовано недостаточно. Повышение эффективности СФУ путем обоснования её пространственной ориентации с учетом комплексных факторов является актуальной задачей.

Тематика работы отвечает «Энергетической стратегии России на период до 2035 г.» и направлена на решение важнейших задач, вытекающих из Распоряжений Правительства РФ №1-р от 08.01.2009 «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 г.» и № 151-р от 02.02.2015 «Стратегии устойчивого развития сельских территорий РФ на период до 2030 г.», а также Федерального закона № 261- ФЗ от 23.11.2009 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ».

Цель работы: повышение эффективности выработки электрической энергии автономных СФУ для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей путем обоснования пространственной ориентации СФУ на основе комплексного учета временных, географических, климатических факторов, технических и конструктивных параметров установки.

Задачи исследования:

- определить показатели, учитывающие временные, географические и климатические факторы, технические, и конструктивные параметры установки для уточнения вольт-амперной характеристики (ВАХ) СФУ при её пространственной ориентации;

- разработать математическую модель для определения энергетических характеристик СФУ при её пространственной ориентации;

- на базе разработанной математической модели СФУ создать имитационную модель в программной среде MATLAB/SimuHnk;

- разработать методику исследования работы СФУ, создать экспериментальную СФУ, провести её исследование, проверить адекватность разработанных математической и имитационной моделей;

- исследовать влияние степени пространственной ориентации СФУ на эффективность работы установки с учетом временных, географических и климатических факторов, на примере условий Республики Башкортостан (РБ);

- оценить экономическую эффективность применения систем слежения за Солнцем в СФУ в условиях РБ.

Объект исследования: процесс выработки электрической энергии автономной СФУ на базе кремниевой солнечной фотоэлектрической батареи (СФБ) при различной пространственной ориентации СФУ.

Предмет исследования: взаимосвязь энергетических характеристик СФУ с её пространственной ориентацией с учетом временных, географических и климатических факторов.

Научная новизна:

1. Методика определения показателей, комплексно влияющих на работу СФУ, для получения уточненной ВАХ с учетом временных, географических, климатических факторов, технических и конструктивных параметров при изменении её пространственной ориентации на Солнце.

2. Математическая модель для определения энергетических характеристик СФУ, разработанная на основе уточненной ВАХ в зависимости от комплексного воздействия интенсивности солнечного излучения, температуры воздуха, скорости ветра, технических и конструктивных параметров СФУ при изменении её пространственной ориентации.

3. Методика управления системой слежения за Солнцем в солнечных установках на основе согласования режимов работы установки с уровнем поступления солнечной радиации.

4. Впервые в условиях РБ установлены наиболее эффективные режимы работы СФУ по степени её пространственной ориентации.

Методы исследования: для исследования поставленных в диссертационной работе задач использовались методы математического и имитационного моделирования с применением программного обеспечения MATLAB /Simulink; методы разработки алгоритмов программирования на языках PIC BASIC и MATLAB/Simulink; метод производства приземных метеорологических измерений и наблюдений; метод «светового эквивалента».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая и имитационная модели, позволяющие получать энергетические характеристики СФУ с учетом географической широты места расположения установки, времени суток и года или их периода, пространственной ориентации СФУ на Солнце, технических и конструктивных параметров СФБ.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, отражающие изменение ВАХ и вольт-ваттной характеристики (ВВХ), выходной мощности СФУ, в зависимости от степени её пространственной ориентации с учетом климатических, географических, временных факторов, технических и конструктивных параметров СФБ, на примере условий РБ.

3. Результаты технико-экономических расчетов эффективности применения в СФУ систем слежения за Солнцем на примере природно-климатических условий РБ.

Практическая значимость работы и реализация её результатов.

Основываясь на результатах диссертационного исследования:

- предложены оригинальные солнечные электростанции с азимутальным и полным слежением за Солнцем, обладающие простотой конструкции и обслуживания;

- разработаны имитационная модель работы СФУ и программы для ЭВМ, позволяющие автоматизировать процесс выполнения расчетов при исследовании и проектировании СФУ;

- разработана принципиальная электрическая схема управления СФУ на базе микроконтроллера РГС16Б877А, с оригинальной программой управления, обеспечивающая автоматическую работу системы слежения за Солнцем;

- уточнены значения параметра кривизны ВАХ (А) и коэффициента освещенности (к) для наземных монокристаллических кремниевых СФБ.

Новизна технических решений подтверждена тремя свидетельствами о государственной регистрации программы ЭВМ и двумя патентами РФ на полезную модель.

Результаты исследования внедрены в ООО «Дружба» Миякинского района РБ и приняты к внедрению в ООО «Маяк» Миякинского района РБ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на: Всероссийской научно-практической конференции с международным участием в рамках XIX Международной специализированной выставки «АгроКомплекс-2009» (г. Уфа, Башкирский ГАУ, 2009); III Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов (г. Уфа, Башкирский ГАУ, октябрь 2009); XLIX Международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству» (г. Челябинск, Челябинская ГАА, 2010); Всероссийской научно-практической конференции Башкирского ГАУ (13-14 декабря 2012 г.), посвященной 80-летию со дня рождения известного ученого, профессора А.П. Иофинова (1932-2005) (г. Уфа, Башкирский ГАУ, 2012); Всероссийской научно-практической конференции (6-7 июня 2013 г.) Фундаментальные основы научно-технической и технологической модернизации АПК (г. Уфа, Башкирский ГАУ, 2013); Международной научно-практической конференции в рамках XXIV Международной специализированной выставки «АгроКом-плекс-2014» (г. Уфа, Башкирский ГАУ, 2014); 9-й Международной научно-технической конференции (21-22 мая 2014 года, г. Москва, ГНУ ВИЭСХ);

Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы энергообеспечения предприятий" в рамках Международной выставки «Энергетика ШОС» (г. Уфа, Башкирская Выставочная Компания, 2014); LIV Международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству, посвященной 85-летию ЧГАА» (г. Челябинск, Челябинская ГАА, 2015).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК, получены 2 патента РФ и 3 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Содержит 150 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 18 таблиц, 22 страницы приложений, список литературы из 123 наименований.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Особенности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей России и Республики Башкортостан

Сельскохозяйственное производство в РФ - это один из крупных потребителей энергетических ресурсов. По данным Минэнерго России на долю сельскохозяйственных потребителей приходится 18-19% дизельного топлива, 6% бензина, более 6% электроэнергии, поступающих на внутренний рынок. Основным поставщиком электрической энергии (более 90%) является единая энергетическая система страны [86].

Согласно «Энергетической стратегии сельского хозяйства России на период до 2020г.» прогнозируемые показатели энергопотребления сельскохозяйственным сектором экономики будут возрастать (таблица 1.1) [20].

Таблица 1.1 Основные существующие и прогнозируемые показатели

потребления энергетических ресурсов в сельском хозяйстве РФ

Показатели потребления энергетических ресурсов Годы

2010 2020 (прогноз)

Электрическая энергия (всего), млрд. кВт., в том числе.: - в сельскохозяйственном производстве (по статье «сельскохозяйственные предприятия»), млрд. кВт; - в социально-бытовой сфере, КФХ, ЛПХ, млрд. кВт. 61,0 15,8 45,2 71,0 22,0 48

Топливо (жидкое), млн. тонн/ млн. т.у.т. 7,8/11,5 9,5/14,0

Нетрадиционные энергоресурсы (ВИЭ), млн. т.у.т. 0,7 7,0

Как отмечается в [102] производство электроэнергии хотя и уверенно движется в прогнозном коридоре, но потребление электроэнергии, увеличившись на 2,9%, уже преодолело нижнюю границу прогноза на 2015 год.

Кроме того, ограничительные политические и экономические меры, введенные в отношении России рядом зарубежных стран в 2015г., вынуждают

увеличивать сельскохозяйственную продукцию для обеспечения продовольственной безопасности страны, что требует дополнительных энергоресурсов.

Несмотря на то, что энергетическая безопасность России в целом обеспечивается, в сфере электроэнергетики имеются существенные проблемы: высокий износ основных производственных фондов (свыше 30 лет проработали: почти 60% оборудования ТЭС, 80% - ГЭС , 35% - АЭС, 50% - ВЛ и 60% - подстанций единой национальной электрической сети), выработка нормативного срока 70% оборудования в распределительном электросетевом комплексе, высокие потери в электрических сетях, многократный рост издержек на производство и распределение электроэнергии [102].

Что касается сельскохозяйственных потребителей, то массовое подключение к централизованной системе электроснабжения осуществлялось в стране с середины 60-х до середины 80-х годов прошлого века. Учитывая предельный срок службы механической части опор и проводов ВЛ 10кВ, следует предполагать и массовый аварийный выход данных элементов системы на относительно коротком временном отрезке. Причем, этот процесс может принять катастрофический по своим масштабам характер, дезорганизующий всю хозяйственную деятельность [36].

Отмеченные недостатки существующих систем сельского электроснабжения обострились прекращением выполнения своих функций специализированными предприятиями, обеспечивавшими надёжность эксплуатации электрооборудования и эффективное использование энергетических ресурсов. Потери электрической энергии, не превышавшие 10%, на сегодняшний день стали большой проблемой сельских электросетей и достигают 50% и более, то есть в 3-5 раз превышают нормативные показатели [86].

В скором времени, без устранения существующих проблем в электроэнергетике, сельскохозяйственные потребители, подключенные к централизованной системе электроснабжения, могут столкнуться с проблемами значительного снижения надёжности электроснабжения, то есть перейти в разряд потребителей с ненадёжным централизованным электроснабжением. Что в

свою очередь приведет к материальным ущербам из-за уменьшения производства и порчи сельскохозяйственной продукции.

Кроме того, на более 70% территории России около 22-25 млн. человек сегодня проживают в районах автономного (децентрализованного) или ненадёжного централизованного энергоснабжения [91], где также имеются сельскохозяйственные потребители.

К сдерживающим факторам централизованного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей относят: их рассредоточенность на значительной территории; небольшую плотность нагрузки на электрическую сеть из-за малых мощностей и объемов потребления электроэнергии; сложность природных условий для строительства и эксплуатации электрических сетей, и связанную с этим высокую стоимость: проектирования, строительства сетей, подключения к ним; а также тяжелое финансовое положение большинства хозяйств. В таких условиях для сельскохозяйственных потребителей альтернативой централизованному служит децентрализованное электроснабжение, где для получения электрической энергии используются собственные или привозные традиционные источники энергии (в большинстве случаев жидкое или твердое топливо). В ряде случаев это ведет к нерацио-

Рисунок 1.1 - Централизованное и автономное энергоснабжение

на территории России

нальному использованию органического топлива, низкому качеству электрической энергии (к примеру, в динамических режимах работы дизельных электростанций) и ухудшению экологической обстановки.

Проблемы электроснабжения сельскохозяйственных потребителей России актуальны и для сельского хозяйства регионов, в том числе и РБ. Основные проблемы электроэнергетики в РБ - это физический износ основных фондов энергетики, особенно оборудования, технических сооружений гидроэлектростанций и высокий процент природного газа в топливном балансе теплоэлектростанций. Последняя проблема обозначена с учетом дефицита органического топлива в РБ, где 85% топливно-энергетических ресурсов составляет экспорт [2, 83].

В обобщение вышесказанного, необходимо заметить, что если в настоящее время не начать решать эти проблемы, то в будущем сельскохозяйственные потребители РФ, в частности РБ, могут столкнуться со значительным снижением надежности электроснабжения и с дефицитом электрической энергии.

Одним из выходов из сложившейся ситуации является использование ресурсов ВИЭ, которые имеют довольно высокий реализуемый потенциал. Конкретно для территорий Приволжского округа, куда входит РБ, суммарный потенциал каждого вида ВИЭ составляет: солнце - 54%, георесурсы -35%, ветер - 6%, низкопотенциальная теплота - 3%, биомасса - 3%, малые гидроэлектростанции - 1% [83, 102].

1.2 Экономические и экологические предпосылки развития СФУ

Одним из перспективных путей решения энергетических и экологических проблем является развитие ВИЭ, которым в последние годы уделяется все большее внимание. В частности, ведутся работы по развитию СФУ, непосредственно преобразующих солнечное излучение в электрическую энергию.

Большой вклад в развитие теории и практики солнечной фотоэнергетики внесли А.П. Ландсман, Н.С. Лидоренко, А.Ф. Иоффе, В.С. Вавилов, В.К. Суб-

ашиев, Ж.И. Алферов, В.С. Огребков (СССР, Россия); М. Вольф, Дж. Лоферен-ский, М. Принс, П. Рапопорта, Г. Раушенбах (США) и многие другие [23, 43].

Применение СФУ обусловлено рядом преимуществ: возможностью обеспечения электроснабжения автономных потребителей различной мощности, неограниченностью запасов солнечной энергии, относительной надёжностью и долговечностью, возможностью полной автоматизации, отсутствием шума, экологической чистотой в использовании и т.д.

Кроме того, из всех ВИЭ наибольший теоретический потенциал имеет солнечная энергия, к примеру, только в России - более 2300 млрд. тонн условного топлива [49].

Динамика мирового развития установок, использующих ВИЭ, показывает, что одним из наиболее бурно развивающихся направлений является фотоэнергетика (рисунок 1.2). Лишь за последние пять лет темпы ежегодного роста производства необходимых для этого СФЭ достигают 25-30% [115, 117].

160 140

К н 03 И

Й (-Н 120 £

о о к 3

о

и «

и о к

оЗ

н £

100 80 60 40 20 0

1

1 1

1 1 1

о ^

о о

о о

СЧ СЧ

г^ т ^т о О О ООО

ш чо

о о

о о

СЧ СЧ

оо

о о о о

СЧ СЧ

о

о ^

о о

СЧ СЧ

о

СЧ

о

СЧ

Годы

т о ^Н н тг

О й 1

сч £ о § ^

Рисунок 1.2 - Динамика установленной мощности фотоэлектрических

станций в мире

Существующие ошибочные мнения о бесперспективности применения солнечной энергии в РФ, из-за недостаточного уровня её поступления, опровергают данные, полученные в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Объединенный институт высоких температур Российской академии наук» [82].

Многие районы России имеют среднегодовые значения дневного по -

ступления солнечного излучения в диапазоне 4...5 кВтч/м2 и более, что сопоставимо с показателями регионов мира, где уже активно используют солнечные установки. Кроме того, более низкая средняя температура воздуха благоприятно сказывается на эффективности работы СФУ [34, 91].

Развитие солнечной фотоэнергетики в РФ набирает активные обороты. За последние три года, после запуска первой в стране солнечной электростанции установленной мощностью 100кВт (Белгородская область, октябрь 2010г.), были введены в эксплуатацию несколько солнечных фотоэлектрических электростанций, превышающих по мощности первую: Астраханская область (около г. Нариманов, октябрь 2013г.) - 250 кВт; Республика Дагестан (г. Каспийск, декабрь 2013г.) - заработала первая очередь сооружения мощностью 1МВт, из общей мощности объекта 5 МВт; Республики Алтай (Кош-Агачский район, сентябрь 2014г.) - 5МВт. Подписаны соглашения и начаты работы по строительству нескольких солнечных электростанций в Республике Алтай, Астраханской области, РБ, Оренбургской области, Саратовской области, Ставропольском крае [8, 33, 85].

В 2015 году начато строительство солнечных фотоэлектрических станций в селах Бугульчан Куюргазинского района и Бурибай Хайбуллинского района РБ мощностью 5 МВт и 10 МВт соответственно. Планируется, что данные электростанции станут первыми из семи крупных объектов солнечной генерации, которые построят в РБ в ближайшие три года с общей запланированной суммарной мощностью 59 МВт [26].

До 2020 года в нашей стране планируют построить несколько фотоэлектрических станций общей установленной мощностью 1,52 ГВт [8].

Однако, при общей установленной мощности электростанций энергетической системы РФ на конец 2014 года в 232,451 ГВт, доля солнечной фотоэнергетики, с учетом перспективных планов увеличения, приведенных выше, составляет менее 1% [52].

Широкому внедрению СФУ препятствует ряд факторов. Основными из них являются высокая стоимость и низкий КПД СФЭ. Поиск путей снижения

влияния этих факторов для дальнейшего развития солнечной фотоэнергетики интенсивно ведется специалистами многих стран, в том числе и российскими.

Снижение удельной стоимости кремниевых СФБ идет ускоренными темпами (таблица 1.2) [21].

Таблица 1.2 - Изменение средней удельной стоимости кремниевых СФБ

Годы 1950 1960 1970 1980 1990 1995 2000 20062015

Удельная стоимость, $/Вт 1000 500 100 20 10 6 5 4

Ведутся работы также по снижению общей стоимости СФУ, путем их технологического и технического совершенствования, что наглядно проиллюстрировано на рисунке 1.3 [114]. Несмотря на это стоимость данных установок и полученной от них электрической энергии на сегодняшний день остается сравнительно высокой.

14

0

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Годы

♦ Стоимость фотобатарей • Стоимость СФУ

Рисунок 1.3 - Динамика удельной стоимости СФУ и СФБ мощностью менее

10кВт в мире за период с 1998 по 2012г

Из приведенного графика видно, что сокращение стоимости СФБ в наблюдаемый период более существенное, чем стоимость СФУ в целом. Из этого следует, что имеется потенциал не только для дальнейшего снижения стоимости СФЭ, но и для снижения стоимости отдельных элементов СФУ (систем преобразования и аккумулирования вырабатываемой электроэнергии, опорных конструкций и.т.д.), вклад которых в увеличение общей стоимости также значителен.

Ведутся работы и по повышению КПД СФЭ. Динамика роста эффективности полупроводниковых кремниевых СФЭ за последние 40 лет приведена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Рост эффективности кремниевых СФЭ с 1973 по 2015гг.

В 30-х гг. прошлого века КПД СФЭ едва доходил до 1% - в настоящее время КПД кремниевых СФЭ составляет 15-20%. Разработаны СФЭ, максимальный КПД которых в лабораторных условиях достигает 36,9 % (на основе каскадных гетероструктур) и 37,5% (арсенид-галлиевые), но стоимость их значительно дороже. Ожидаемый КПД наземных каскадных СФЭ при стандартных условиях испытания составляет 44%, теоретический - 49% [4].

В настоящее время наблюдается тенденция роста цен на традиционное топливо. Запасы ископаемых топлив ограничены, а значит, их стоимость со временем будет возрастать и дальше. На фоне роста цен на электроэнергию, получаемую от традиционных энергоресурсов, и снижения стоимости СФЭ, а так же увеличения их КПД, вопросы развития СФУ представляются все более целесообразными [10].

Уже сегодня, несмотря на высокую стоимость, использование СФУ в определённых случаях оказывается экономически конкурентоспособным. Это относится к территориям страны с рассредоточенными потребителями с децентрализованным энергоснабжением, несущими убытки при перебоях энергоснабжения или к потребителям с ненадёжным централизованным энергоснабжением.

Конкурентоспособность СФУ в районах децентрализованного электроснабжения РФ объясняется высокой стоимостью электроэнергии, вырабатываемой на местных электростанциях - к примеру, при помощи дизельных генераторов, работающих на жидком дорогостоящем топливе. Дороговизна топлива связана с трудностями его завоза и влечет за собой увеличение стоимости получаемой электроэнергии. Во многих горных и северных районах России цена электрической энергии доходит до 17...25 руб./кВт ч [91].

Кроме того, существующий в настоящее время подход к определению сравнительной экономической эффективности СФУ и установок, работающих на традиционном топливе, является спорным. Он не учитывает скрытые затраты, связанные с вредным воздействием традиционной энергетики на окружающую среду и здоровье людей. В качестве примера ниже приводится лишь малая доля ущерба окружающей среде и здоровью людей наносимого традиционной топливной энергетикой.

Выбросы диоксида серы и окислов азота вызывают кислотные дожди, которые вредны всему живому. Окислы азота, образующиеся при сгорании природного газа, являются первичным компонентом для образования смога, который в городах промышленно развитых и развивающихся стран связан с малым весом новорожденных, мертворожденными детьми и детской смертностью. Диоксид углерода вызывает изменения погодных условий, кроме того, принято считать, что он вносит решающий вклад в глобальное изменение климата. Выбросы атомными электростанциями огромного количества крип-тона-85 ведут к увеличению числа и интенсивности бурь, штормов, ураганов, тайфунов [47, 21].

Загрязнение окружающей среды традиционной топливной энергетикой пагубно отражается на здоровье людей. Выбросы вредных веществ, попадающих в организм человека, в первую очередь, вместе с вдыхаемым воздухом, вызывает лёгочные, онкологические и иные заболевания, особенно у детей [67].

Если учитывать эти скрытые затраты (таких как: оплата медицинского обслуживания; снижение урожайности в результате загрязнения воздуха, во-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ахметшин Артур Талгатович, 2016 год

а - х

Б

*

Б

< г(Р, кили а - х < г(Р, к, (4.3)

л/п л/к

при этом множитель г(Р;к) обусловлен доверительной вероятностью (надёжностью оценки) Р, и зависит от количества измерений П. Так как значение степеней свободы к, связано с числом измерений соотношением к=п-1.

Значения множителя г(Р;к) находились по таблицам из [70], составленным при помощи распределения Стьюдента.

На примере измерения выходного напряжения СФБ СФУ с азимутальной ориентацией на Солнце в с. Кушнаренково РБ для 13 апреля 2014 г в 9,33ч локального солнечного времени рассмотрим нахождение вероятностных интервалов и определение доверительных оценок измерений. На основании распределения Стьюдента, наиболее вероятные значения измеряемой величины будут находиться в интервале:

Б * - , „ 7 ч Б *

х - г(Р;к< а < х + г(Р;к. (4.4)

При принятой надёжности Р = 0.98, и количестве измерений п = 5, был определён множитель г (0.98;4) = 3.747 по [70].

Исходя из этого, для выбранных результатов измерений пользуясь приведенными выше выражениями (4.1 - 4.4) была заполнена таблица 4.1.

Показания №1,3 были сняты с вольтметра М831, №2,4,5 измеренные модулем 7БТ 210 и визуализированы на ПК с помощью специального программного обеспечения 7е1:ЬаЬ.

По результатам расчетов, сведенных в таблицу 4.1, видно, что измеренные значения выходного напряжения не выходят за границы доверительного интервала.

Таблица 4.1 - Нахождение доверительной оценки измерения напряжения СФБ СФУ с азимутальной ориентацией на Солнце в с. Кушнаренково РБ для 13 апреля 2014 г в 9,33 ч локального солнечного

времени по выбранным диапазонам

Номер измерений Результаты измерений

Х1 Х2

1 20,8 19,6

2 20,816 19,582

3 20,85 19,5

4 20,820 19,591

5 20,817 19,610

Х1 Х2

Среднее значение(х) 20,8206 19,5766

Среднее квадратичное отклонение (б*) 0,03638 0,04908

Доверительная оценка 20,753...20,888 19,485.19,669

Поскольку выбор доверительной вероятности допускает некоторый разброс, то для обработки результатов на практике допускается использовать правилом «трех сигм» (3а) - отклонение истинного значения измеряемой величины от среднего арифметического значения результатов измерений не превосходит утроенной средней квадратичной погрешности этого среднего значения:

а - х < 3э / 4п. (4.5)

Так как правило «трех сигм» представляет собой доверительную оценку при неизвестной величине а, то её надёжность существенно зависит от количества измерений п и определяется по таблицам, приведенным [70], и для нашего случая, при п=5, составляет 0.96, что является вполне допустимым.

Утроенная средняя квадратичная погрешность 3s / 4п по диапазонам измерений х1г х2, соответственно равна: 0,0488; 0,06585. В таблице 4.2 приведено отклонение истинного значения измеряемой величины от среднего

арифметического значения результатов измерений, из чего можно сделать вывод, что погрешности измерений не выходят за предел ± 4%.

Таблица 4.2 - Отклонение значения измеряемой величины от его среднего арифметического значения по диапазонам измерения

№ Х1 Х2

1 0,00206 0,0234

2 0,00460 0,0054

3 0,00294 0,00766

4 0,00060 0,0144

5 0,00360 0,00334

3а 0,0488 0,06585

Статистическая обработка экспериментальных данных измерений полученных информационно-измерительным комплексом проводилась на ПК посредством специальной программы ResultViewer, входящей в комплект программного обеспечения 7е1ЬаЬ.

Для количественной оценки измерений информационно -измерительным комплексом были рассчитаны абсолютные и относительные погрешности измерений, значения которых приведены в таблице 4.3

Таблица 4.3 - Вероятная абсолютная и относительная погрешность измерений

Наименование определяемой величины Размерность Абсолютная погрешность (шах) Относительная погрешность, %

Температура ФЭП №1 °С 2,18 ± 9,4

Температура ФЭП №2 °С 1,75 ± 7,6

Интенсивность солнечного излучения* Вт/м2 68 ±11,3

Ток СФУ А 0,0581 ±0,83

Напряжение СФУ В 0,0346 ±0,161

Относительная погрешность измерений проводимой информационно -измерительным комплексом не превышает 11,3%, что является приемлемой для практических целей погрешностью.

4.2 Верификация, оценка адекватности и проблемный анализ разработанных математической и имитационной моделей

4.2.1 Тестирование программы расчета и воспроизведения выходных энергетических характеристик СФУ («подсистемы 3»)

Для проверки разработанной имитационной модели в [99] описаны способы оценки, предложенные Фишманом и Кивиа:

1) верификация, с помощью которой можно убедиться, что модель работает так, как и было запланировано;

2) оценка адекватности - проверка аналогичности работы (поведения) модели с поведением имитируемой ей реальной системы;

3) проблемный анализ - установление статистически значимых заключений на основе результатов, полученных путем моделирования.

Оценка корректности работы разработанных математической и имитационной моделей, а также составленных программ для ЭВМ будет проводиться по всем трем, приведенным выше, способам Фишмана-Кивиа.

Путем сравнения паспортных данных производителей, соответствующих СФЭ и СФБ, со значениями, полученными с помощью «подсистемы 3» (рисунок 2.2) и, соответственно, программы «Расчетно-графическая программа для построения энергетических характеристик солнечного элемента и фотоэлектрического модуля» можно провести оценку их адекватности.

Для этих целей, с помощью разработанной программы, построены ВАХ и ВВХ, для одного СФЭ и СФБ, состоящей из 2-х параллельно соединенных модулей (с 36-ю последовательно соединенными СФЭ в каждом) при стандартных условиях (рисунок 4.1).

СФЭ из монокристаллического кремния имеют следующие характеристики: Зокз = 37мА/см2; иоХХ = 600мВ; ^д=Юмсм2; площадь 8СФЭ = 98,92см2; ^ = 0,0006 °С-1, Д, = - 0,0032°С-1. Значения коэффициента принято А =1,2.

СФБ, по паспортным данным, выдает максимальную мощность Ртах =120Вт, = 22В, = 7,34А, оптимальное рабочее напряжение иопт = 18В и ток = 6,66А.

ВАХ солнечного элемента

X У Р1й

3.5

3 \

2.5 \

2 1 р.

1.0 1 \ "

0.5 \

0 [ 1 1 1 1 1 1

) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 и. В

I-} ВВХ солнечного элемента вт _=1е]*1

р.вт 2 1 ^ X У РЫ

I .о 1 \ -

0.5 у/ \ ■

п / . , • 1

0 0.1 0.2 03 04 0 5 0,6 0 7 и. В

а)

ВАХ модуля ФЭП при стандартных условиях — 1й|х]

-М3 X У РЫ

7 -

6 N 1

5 \

4 \ "

3 \ "

2 1 \ "

I 0 С \

) 5 10 15 20 ЦВ

б)

в)

Рисунок 4.1 - Характеристики СФЭ (сверху) и СФБ (снизу) при стандартных условиях, полученные с помощью разработанной расчетно-графической программы: а, в - ВАХ; б, г - ВВХ

Как видно из рисунка 4.1 (а - г), значения ихх и JК З СФБ и СФЭ соразмерны согласно приведенным соотношениям (формулы (2.3) и (2.4)), полученные характеристики (в, г) совпадают с паспортными данными СФБ, что подтверждает адекватность работы разработанной «подсистемы 3» и программы при стандартных условиях испытания СФЭ, СФБ.

Протестировав для верификации «подсистему 3» имитационной модели СФУ, при различных значениях рабочей температуры СФБ, получили следующие характеристики (рисунок 4.2).

а) б)

Рисунок 4.2 - Характеристики СФБ (а - ВАХ, б - ВВХ) при рабочей температуре: 1 - +40°С; 2 - +10°С

Как известно, увеличение температуры СФБ приводит к понижению напряжения холостого хода и снижению мощности, что и наглядно, показывают приведенные графики.

Протестировав «подсистему 3», при различных значениях интенсивности солнечного излучения на поверхность СФБ, получили следующие характеристики (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 - ВАХ при различных значениях интенсивности солнечного излучения на поверхность СФБ Уменьшение интенсивности солнечного излучения на поверхность СФБ приводит к уменьшению тока и напряжения, что и подтверждают полученные имитационной моделью СФУ графики.

Результаты проведенных тестирований «подсистемы 3», созданной

на её основе программы «расчетно-графическая программа для построения энергетических характеристик солнечного элемента и фотоэлектрического модуля» подтверждают её адекватность.

Разработанная программа может быть использована при проектировании и исследовании СФУ. К примеру, при известных значениях внешних факторов, с помощью программы можно провести исследование выходных параметров СФБ в конкретной местности и подобрать оптимальные или рациональные параметры СФУ.

4.2.2 Тестирование программы расчета суммарной интенсивности солнечного излучения на различно ориентированные поверхности и определения температуры окружающего воздуха («подсистемы 1»)

Исходными данными, заносимыми в «тело» программы, являются значения интенсивности прямого и рассеянного солнечного излучения на горизонтальную поверхность, коэффициента отражения земной поверхности, среднесуточной температуры воздуха, суточной амплитуды, периода изменения и времени наступления максимума температуры воздуха.

Для конкретной географической точки предполагаемой эксплуатации СФУ определить эти значения можно расчетным (аналитическим) способ и отбором необходимой информации из различных справочников, электронных баз данных. Способ непосредственного измерения не рассматривается ввиду того, что он требует наличия специальных приборов измерения, сопряжен с определёнными организационными сложностями и, кроме того, согласно [63, 93], для статически оправданных оценок такие измерения должны быть многолетними.

Для большинства территорий РФ, где отсутствуют данные о поступлении солнечного излучения, эти данные можно получить только расчетным методом. Существует большое количество трудов, где приводятся различные методы расчета радиационных характеристик, с некоторыми из них можно ознакомиться в [61, 75].

Аналитические способы применимы, однако они сложны, точность их не высока, и, в этой связи, они могут иметь при проектировании гелиоустановок лишь оценочное значение [65].

Таким образом, основным источником исходных актинометрических сведений являются специальные климатические справочники или базы данных, составленные по результатам многолетних метеонаблюдений на метеорологических станциях и постах [63].

В РФ наблюдением и регистрацией прихода солнечного излучения и температуры воздуха занимается государственная метеорологическая служба с использованием сети актинометрических станций. Полученные данные публикуются в актинометрических ежемесячниках, ежегодниках, различных климатических справочниках [3, 80, 81].

На сегодняшний день, наряду с данными прямых многолетних наблюдений интенсивности солнечного излучения и температуры воздуха, обобщенных в [80, 81], существует база данных Национального агентства по аэронавтике и исследованию космического пространства США «NASA Surfase meteorology and Solar Energy» (NASA). При формировании баз данных и сопоставлении с данными наземных измерений разработчики NASA воспользовались только 6-ю массивами данных российских метеостанций [118] поэтому, если для территории США и ряда других регионов земного шара погрешность данных не высока, то для территории РФ они требуют верификации.

Такие сравнительные исследования были выполнены в метеорологической обсерватории Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, а также на метеостанциях Южного федерального округа России. Результат сравнительного исследования показал, что погрешность данных NASA по средним суммам солнечной радиации для большинства регионов России не превышает 15% [63].

Для верификации данных базы NASA по среднемесячной суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность и среднемесячной температуры воздуха в условиях местности с географическими координатами

55°06 с. ш., 55°20 в. д. (РФ, РБ, с. Кушнаренково) был произведен сравнительный анализ этих данных с данными климатических справочников [80, 81].

В качестве примера, на рисунке 4.4 показаны гистограммы среднемесячной суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность, построенные по данным справочника и базы NASA для мая месяца.

Время солнечное локальное, ч по данным NASA

по данным климатического справочника Рисунок 4.4 - Динамика изменения среднемесячной суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность в течение суток для месяца май по данным базы NASA и климатического справочника

Время регистрации солнечной радиации в базе данных NASA указано по Гринвичу, а в климатическом справочнике - по локальному солнечному времени. Время было приравнено к единому локальному солнечному времени для условий с. Кушнаренково РБ. По рисунку 4.4 видно, что на интервале времени 6,5.. ,15,5ч. среднемесячная суммарная солнечная радиация по данным базы NASA для мая месяца имеет меньшее значение, чем в справочнике. Абсолютные различия в значениях составляют не более 0,051кВт/м2, что в относительных величинах составляет 9,25%.

Совмещение данных базы NASA и климатического справочника по среднемесячной суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность для остальных месяцев дает возможность считать их практически идентичными. Так, для всех месяцев, кроме месяцев май, июнь, июль значения

схожи, с небольшими максимальными относительными отклонениями не более 6,8%. Максимальное отличие для месяцев май, июнь, июль не выходит за предел 9,46 %.

На рисунке 4.5 представлена сравнительная диаграмма значений среднемесячных температур воздуха в с. Кушнаренково по данным NASA в течение 22-летнего периода (январь 1983 - декабрь 2004) [118] и климатического справочника [81].

Месяцы

■ Данные NASA

■ Данные климатического спрабочника

Рисунок 4.5 - Диаграмма среднемесячных температур воздуха по данным NASA и климатического справочника В [118] приводятся данные температуры воздуха на поверхности земли и на высоте 10м от её поверхности. Так как в актинометрических станциях проводят измерение температуры воздуха на высоте 2м от поверхности земли, для сравнения были выбраны значения среднемесячных температур воздуха на поверхности земли.

Относительные отклонения данных NASA от справочных значений, полученных с помощью актинометрических наземных наблюдений, среднемесячных температур воздуха не превышает 14%, что приемлемо для проведения проектирования и исследования СФУ.

Таким образом, в качестве исходных данных, для определения интенсивности солнечного излучения и температуры воздуха при проектировании и исследования СФУ, наряду с данными климатических справочников, применимы и данные базы NASA.

При определении интересующих данных из указанных климатических справочников возникают некоторые затруднения, для решения которых нужны дополнительные вычисления:

- перевод единиц измерения в систему СИ (международная система единиц). Например, перевод значения интенсивности солнечного излучения в Вт/м2, так как в [80] оно приведено в кал/см2мин);

- определение значений температуры окружающего воздуха и интенсивности солнечной радиации в иные от фиксированных моментов времени суток и года. В частности, значения интенсивности солнечного излучения в [80] приведены для фиксированных моментов среднесолнечного времени, между которыми достаточно большие интервалы, интенсивности в которых не известны;

- приведение значений интенсивности солнечного излучения и температуры воздуха к единому времени (К примеру, измерения температуры воздуха Тв [°С] в справочнике [81] проводились по местному декретному времени. Для того чтобы перейти от местного времени к среднесолнечному времени, нужно к декретному времени придать постоянную поправку);

- расчет потока солнечной радиации на наклонную поверхность, так как в справочнике [80] указаны интенсивности солнечного излучения только на горизонтальную поверхность, в то время как для проектирования и исследования СФУ представляют наибольший интерес данные по приходу солнечной радиации на наклонную поверхность.

Таким образом, получение необходимой информации по солнечному излучению и температуре воздуха является трудоемким процессом, требующим порой углубленного изучения материалов, связанных с географией, климатологией, синоптической метеорологией и.т.д.

Разработанная программа, на основе «подсистемы 1» нацелена на решение вышеуказанных проблем, возникающих при определении интенсивности солнечного излучения и температуры воздуха из климатических справочников.

В качестве примера, в приложении В на рисунке В.1 представлены результаты моделирования, полученные с помощью разработанной программы для 23 февраля в условиях с. Кушнаренково РБ. При необходимости, добавлением виртуального многоканального осциллографа Scope, для визуального сравнения можно объединить несколько графиков в одном графическом окне (рисунок В.2).

Сопоставление результатов моделирования с данными, приведенными в [80] показало, что погрешность не превышает 9 %, с данными, приведенными в [81] - 5%. Следовательно, вышеуказанные способы определения значений интенсивности солнечного излучения и температуры воздуха могут быть использованы при исследовании работы СФУ.

4.2.3 Тестирование подсистемы расчета параметров внешних

факторов («подсистемы 2»)

Тестирование «подсистемы 2» проводилось на примере экспериментальной СФУ, состоящей из двух параллельно соединенных СФБ. Основные технические характеристики СФБ приведены в таблице 3.1.

Более подробные конструктивные и технологические параметры СФБ экспериментальной СФУ приводятся ниже.

Габаритные размеры СФБ 0,68*0,67*0,025м. СФЭ из монокристаллического кремния в СФБ герметично заламинированы под слегка рифлёным, с низким содержанием оксидов железа стеклом, толщиной В = 0,4см и помещены в алюминиевый каркас. Тыльная сторона СФБ выполнена из белого листового ПВХ с шероховатой наружной поверхностью. Поэтому в качестве исходных данных были приняты следующие значения:

- площадь поверхности СФБ S® = 0,4556м ;

- интегральный коэффициент поглощения солнечного излучения СФБ определяется как полная доля излучения, поглощённого при прохождении через неё солнечных лучей. Данный коэффициент зависит от конструкции, оптических свойств, структуры материалов защитного покрытия СФБ и

СФЭ, а также угла падения солнечных лучей на поверхность СФБ. Действительное значение Ц определяется опытным путем с помощью специальных измерительных приборов. В [68] отмечено, что Ц больше 0,75 и может достигать значения 0,9. Приняли усредненное значение равное 0,8;

- Ло = 14%, To = 25°С;

- F = 2 (из [67] для плоского модуля, охлаждаемого с двух сторон);

- х = 0,004К-1 (усредненный из [116]);

- v = 4м/с (среднегодовая в с. Кушнаренково РБ по данным базы NASA;

- S1 и 82 = 0,98 (для неметаллических тел с шероховатыми поверхностями согласно [28].

Входные значения интенсивности солнечного излучения и температуры воздуха импортировались из «подсистемы 1», на основании данных климатических справочников.

На рисунках 4.6 - 4.7 показаны сравнительные графики и диаграммы зависимости интенсивности солнечного излучения от времени дня на поверхности СФБ различно ориентированных СФУ с учетом и без учета потерь солнечной энергии в защитном остеклении.

Время локальное солнечное, ч без учета потерь на защитном остеклении с учетом потерь на защитном остеклении

Рисунок 4.6 - Интенсивность солнечного излучения на наклонной поверхности СФБ СФУ, с неизменной южной ориентацией и установленной под оптимальным углом к горизонту в условиях с. Кушнаренково РБ для 12 апреля

I оез ^чета потерь на защитном остеклении Аз I без учета потерь на защитном остеклении РО

I с учетом потерь на защитном остеклении Аз I с учетом потерь на защитном остеклении РО

а) б)

Рисунок 4.7 - Интенсивность солнечного излучения на наклонной поверхности СФБ СФУ с азимутальной (Аз) и полной ориентацией (РО) на Солнце для

12 апреля в условиях с. Кушнаренково: а - гистограмма; б - график

Исходя из представленных сравнительных графиков и диаграммы наглядно заметно уменьшение интенсивности солнечного излучения на поверхности СФЭ с защитным остеклением СФБ. Причем в утренние и вечерние часы потери излучения для различно ориентированных поверхностей СФБ в защитном остеклении практически отсутствуют. Это объясняется тем, что в эти промежутки времени больший вклад прихода солнечной радиации на поверхность СФБ оказывает интенсивность рассеянного и отраженного солнечного излучения.

В иной, значительный период выработки электрической энергии 12 апреля в условиях с. Кушнаренково, уменьшение интенсивности солнечного излучения на поверхности СФЭ в СФБ с защитным остеклением в зависимости от ориентации СФУ достигает не более:

- при СФУ с неизменной южной ориентацией, расположенной под оптимальным углом к горизонту- 6,7%;

- при СФУ расположенной под оптимальным углом к горизонту с азимутальной ориентацией на Солнце - 6,6%;

- при полной ориентации СФУ на Солнце - 6,35%;

Проведен сравнительный анализ потерь солнечного излучения в защитном стекле для аналогично ориентированных СФУ для дней, соответствующих серединам времен года. Из данного анализа выявлено, что потери солнечного излучения (доли потерь в %) в защитном стекле для любого дня года не превышают значений указанных ранее.

В качестве примера на рисунке 4.8 представлены графики, построенные по значениям, полученным блоком расчета рабочей температуры СФЭ в СФБ с различной пространственной ориентацией СФУ, совмещенные для сравнения с графиком суточного хода температуры воздуха.

14

12

10

о

о

ей 8

а

Й 6

а

«

с 4

и

н

2

0

-2

у Г 1 \

/ ***** ч

и л

/ л V

с \

0 1 01 5 2 ж 02 5 3

Температура воздуха

^Температура СФЭ в СФУ с неизменной ориентацией

^Температура СФЭ в СФУ с азимутальной ориентацией на Солнце

^Температура СФЭ в СФУ с полной ориентацией на Солнце Локальное солнечное время, ч

Рисунок 4.8 - Суточный ход температуры воздуха и рабочей температуры СФЭ при скорости ветра 4м/с 12 апреля в условиях с. Кушнаренково

При расчете входного параметра «интенсивность излучения на СФЭ, отнесенная к единице поверхности СФБ», учитывались потери солнечного излучения в защитном стекле.

Из рисунка 4.8 видно, что наибольшее значение рабочей температуры СФЭ не зависит от пространственной ориентации СФУ, одинаково для всех трех рассмотренных вариантов, и приходится на 13ч местного локального солнечного времени. Это объясняется тем, что в солнечный полдень интенсивность солнечной радиации на СФЭ равна для всех вариантов пространственной ориентации СФУ. Следует отметить, что пик и сам график рабочей

температуры СФЭ, несколько смещен от пика и графика температуры воздуха, то есть нагрев СФЭ происходит значительно быстрее нагрева воздуха. Максимальная разница температур СФЭ и воздуха выявлена при пиковом значении рабочей температуры СФЭ и составляет 3,83°С, что при сравнении с температурой воздуха в этот момент времени, на 49,54% превышает её.

Нагрев СФЭ в СФУ с неизменной южной ориентацией до номинального значения происходит медленнее, чем в СФУ ориентирующейся на Солнце, а охлаждение - быстрее.

Уравнения энергетического баланса и анализ разности температур между рабочей температурой СФЭ и температурой воздуха показывают, что рабочая температура СФЭ и потери тепла в результате конвекции и излучения линейно зависят от падающего излучения при постоянной скорости ветра, а коэффициент теплоотдачи сильно зависит от скорости ветра и незначительно от температуры воздуха.

На рисунке 4.9, в качестве примера, представлены графики суточного хода рабочей температуры СФЭ с различной пространственной ориентацией СФУ и температуры воздуха для тех же условий, что и для графиков, показанных на рисунке 4.8, но при отсутствии ветра.

30

25

20

О

о

,а 15

р

Й 10

р

е

с 5

м

е

н

0

-5

Л /•V

А г ч

1 и н > ■ршфу, " 1 11 А.

И > ч

■1 ■ * 05 1 01 52 02 53

^Температура СФЭ в СФУ с неизменной ориентацией

^Температура СФЭ в СФУ с азимутальной ориентацией на Солнце

—Температура СФЭ в СФУ с полной

тг ориентацией на Солнце

Локальное солнечное время, ч

Рисунок 4.9 - Суточный ход температуры воздуха и рабочей температуры СФЭ при скорости ветра 0м/с 12 апреля в условиях с. Кушнаренково Анализируя графики рисунка 4.9 заметно, что наибольшее значение рабочей температуры СФЭ, также как и в предыдущем случае, не зависит от

■Температура воздуха

ориентации СФУ. Однако пик рабочей температуры при отсутствии ветра приходится уже ровно в солнечный полдень. Смещение пика и графика рабочей температуры СФЭ от пика и графика температуры воздуха заметно больше.

Максимальная разница рабочей температуры СФЭ от температуры воздуха приходится также при пиковом значении рабочей температуры СФЭ, но уже значительна - больше в 3,6 раз.

Проведенные аналогичные исследования для самого жаркого месяца года (июль) в условиях с. Кушнаренково в 12ч местного солнечного времени выявили возможные превышения максимальной рабочей температуры СФЭ в абсолютных значениях от 28°С (при скорости ветра 4м/с) до 42°С (при отсутствии ветра). Суммарная интенсивность солнечного излучения на поверхность СФЭ с учетом потерь в защитном остеклении, не отнесенная к единице поверхности СФБ, составляла 641 Вт/м2.

Для верификации приведенных ранее математических зависимостей определения температуры СФЭ в СФБ воспользуемся теоретически выведенными данными независимых теоретических исследований, рассмотренных в работе [7]. В данной работе имеются графики изменения температуры кремниевых СФЭ в составе СФБ фирмы «Солнечный ветер» в зависимости от скорости ветра и плотности потока солнечного излучения при температуре окружающей среды 25°С (рисунок 4.10). На том же рисунке, для сравнения изображены графики, полученные при тех же условиях (ТВ, I) с помощью «подсистемы 2» для СФЭ в СФБ серии HH-MONOóOW полностью ориентируемой на Солнце.

Исходя из приведенных графиков, заметны различия между сравниваемыми данными. Однако, учитывая, что рассматриваются СФБ разных фирм, отличающиеся параметрами СФЭ, конструктивными особенностями самих СФБ и прослеживается схожесть в динамике изменения температуры СФЭ под влиянием интенсивности солнечного излучения и скорости ветра сравниваемых графиков, можно убедиться об одинаковом «поведении» моделей, отличающихся лишь в пропорциональных соотношениях.

Скорость ветра, м/с

•••А" Ср(1000Вт/м.кв.) Пр (1000Вт/м.кв.)

Ср(600Вт/м.кв.) Пр(600Вт/м.кв.)

•••••• Ср (200Вт/м.кв.) Пр(200Вт/м.кв.)

Рисунок 4.10 - Графики зависимости температуры кремниевых СФЭ в СФБ от интенсивности солнечного излучения и скорости ветра, построенные по данным [7] (Ср) и полученных имитационным моделированием (Пр)

Объективную оценку адекватности работы «подсистемы 2» можно дать, лишь после проверки соответствия между данными, полученными моделированием и реальными значениями, которые можно получить с помощью экспериментальной СФУ.

Для сравнения значений температуры СФЭ в СФБ полученных имитационным моделированием со значениями, измеренными на экспериментальной СФУ, в имитационную модель СФУ («подсистему 2») в качестве исходных данных вводились значения температуры воздуха, конструктивные и технологические параметры СФБ экспериментальной СФУ (приведены в п.п. 4.2.3). Затем полученные значения сравнивались со значениями температуры СФЭ определяемых с помощью контрольно-измерительных приборов и информационно-измерительного комплекса.

На рисунке 4.11 изображены графики изменения температуры СФЭ в СФБ с неизменной южной ориентацией и выставленной под углом 55° к горизонту полученные имитационным моделированием и снятых с экспериментальной СФУ.

О

О 27

е

о й

Л 22

£ CP <и С

17

<и Н

12

467

417

367

317

«

о К л

íy о

^

Z н § &

* В

к О

л н о О 5S

ч о

X ю К

о (U

К к

8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5 Локальное солнечное время, ч

13

е

Ё К

а

ер к н

с о

н р

е в о

с

Рисунок 4.11 - График температуры СФЭ в СФБ с неизменной ориентацией в

условиях с. Кушнаренково 15 сентября 2013 г. полученные с помощью: 1 - имитационного моделирования; 2 - пирометра (lp = 15 см); 3 - информационно-измерительного комплекса (Датчик №1); 4 - пирометра (lp = 30 см)

Проведенные измерения температуры СФЭ в СФБ и сравнение полученных показаний с данными полученными при имитационном моделировании выявили о практической их идентичности. Максимальная разность показаний информационно-измерительного комплекса и данных, полученных с помощью имитационного моделирования составила 3,8°С (не более 14,2 %).

Показания, полученные с помощью инфракрасного пирометра testo 830-T1 сильно зависят от расстояния между прибором и объектом измерения (lp), чем больше расстояние тем меньшее значение температуры фиксирует прибор, кроме того показания снятые с СФБ с рифленым защитным стеклом при помощи инфракрасного пирометра могут быть не совсем корректны. Показания, снятые с фотоэлектрического модуля без защитного остекления с ламинированным покрытием при помощи пирометра практически идентичны с показаниями информационно-измерительного комплекса (от датчика температуры №2).

Проведенная верификация показала о схожести действительных и полученных имитационным моделированием значений температуры СФЭ и применимости, используемых в подсистеме математических зависимостей определения температуры СФЭ в СФБ.

8

4

4.2.4 Проблемный анализ на основе результатов, полученных

моделированием

Для наиболее точного приближения характеристик ВАХ и ВВХ СФУ, полученных при помощи разработанной имитационной модели, к действительным предусмотрены параметр кривизны ВАХ (А) и коэффициент освещённости (к), которые можно получить при сравнении теоретических и экспериментальных характеристик конкретных СФБ.

Значения данных показателей в рассмотренном п.п. 4.2.1 случае были приняты А = 1,2, К = 0,2, исходя из того, что при данном значении параметра А , при стандартных условиях испытания, ВАХ и ВВХ СФУ, полученные имитационным моделированием (рисунок 4.1 в, г), наиболее точно совпадают с паспортными данными СФБ. Значение коэффициента К было выбрано из диапазона 0 < к < 2 [66] по принципу того, что значение напряжения холостого хода теоретических ВАХ и ВВХ должно соответствовать, при стандартных условиях испытания, паспортному значению, в данном случае иж = 22В.

На рисунке 4.12 приведены ВАХ и ВВХ, полученные теоретическим путем, при имитационном моделировании работы СФУ с полной ориентацией СФБ на Солнце, в условиях с. Кушнаренково РБ 8 марта в 12ч и скорости ветра 4 м/с при различных значениях А и К . Построение ВАХ и ВВХ производилась следующим образом, при фиксированном значении параметра А = 1,2 менялся коэффициент К, а при меняющемся значении А , неизменным оставался коэффициент К = 0,1.

Из проведенного имитационного моделирования и полученных ВАХ и ВВХ при различных значениях А и К , заметно влияние коэффициента А на кривизну ВАХ и ВВХ. Значение этого коэффициента практически не влияет на значение напряжения холостого хода, но оказывает сильное влияние на оптимальное значение напряжения и максимальной выходной мощности. При увеличении значения коэффициента К происходит сдвиг характеристик

по оси напряжения в сторону меньших значений. Данный коэффициент практически не оказывает никакого влияния на значение тока короткого замыкания, но сильно влияет на напряжение холостого хода и, соответственно, на мощность вырабатываемой СФБ. Таким образом, чем меньше значение параметра А и коэффициента К, тем более ближе ВАХ и ВВХ к идеальным и, следовательно, эффективнее СФБ.

а)

б)

.101x1

1, А 8 X У Р1о1

7

б

5

< < >- 3

2 Л\

0 \Н

5 10 \ 15 ХА«*в 20 \U.BN

--1,5

к=0 к=0,1 к=0,5

в) г)

Рисунок 4.12 - Характеристики СФУ с полной ориентацией СФБ на Солнце

при различных значениях А и К , скорости ветра 4 м/с в условиях

с. Кушнаренково 8 марта в 12ч: а, б - ВВХ; в, г - ВАХ Параметр А и коэффициент К зависят от технологических особенностей СФЭ и СФБ в целом, оказывают сильное влияние на ВАХ и ВВХ СФБ. Поэтому данный коэффициент необходимо получать экспериментальным путем, а не принимать приблизительно из интервалов значений приведенных в различных источниках. Таким образом, основным подтверждением адекват-

ности разработанных математической и имитационной моделей является соответствие между поведением модели и поведением реальной системы. Данное соответствие выявляется проведением экспериментальных исследований и сопоставлением полученных данных с теоретическими.

4.3 Сравнительный анализ значений интенсивности солнечного излучения, определённых методом «светового эквивалента» и регистрируемых информационно-измерительным комплексом

Метод определения суммарной солнечной интенсивности на горизонтальную поверхность через измеряемую освещённость поверхности и световой эквивалент (метод «светового эквивалента», описание приведено в п.п. 3.4.2) предусматривает нахождение диапазона, в котором могут находиться эти значения. При обработке экспериментальных данных учитывались и погрешности измерительных приборов. Поэтому на рисунке 4.13 представлены графики, построенные по возможным наибольшим (1) наименьшим (2) и значениям интенсивности солнечного излучения.

л н о о ЕЕ ю к

о X <и н X

к

5

X

ев

X «

к

X

<и ЕТ Еу Ч со К

О и о X Ср ЕТ ев и ¡8 ЕС

^ 5

Еу °

¿С °

ее га

СО X

К Л «и

О И и о ЕЕ

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

5,6 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Время солнечное локальное, ч

Рисунок 4.13 - Графики изменения суммарной солнечной интенсивности на горизонтальную поверхность в течение дня в условиях с. Кушнаренково 15 сентября 2013г., построенные по методике «светового эквивалента» с использованием прибора «Эколайт»

Данные полученные с помощью информационно-измерительного комплекса практически аналогичны с данными полученными по методу «светового эквивалента». В качестве примера, для наглядности, на рисунке 4.14 приведены графики, построенные по показаниям интенсивности солнечного излучения на горизонтальную поверхность в условиях с. Кушнаренково 15 сентября 2013г в 4-х часовом промежутке времени, полученным по методу «светового эквивалента» и с помощью информационно-измерительного комплекса.

л н о о X ю к

о X <и н X

к

5

X ей

О

й

X «

К X

<и ^ „

* 5

СО та

к Ь

2^ ^у £ м га

Л

н о о X

СО X

К а О И

и о с

500

400

300

200

100

8,5 9 9,5 10 10,5 11

Время солнечное локальное, ч

Рисунок 4.14 - Показания интенсивности солнечного излучения на горизонтальную поверхность в условиях с. Кушнаренково 15 сентября 2013г в 4-х часовом промежутке времени: 1 - снятые информационно-измерительным комплексом; 2 и 3 - полученные по методике «светового эквивалента»

Сравнения показаний интенсивности солнечного излучения информационно-измерительного комплекса, датчик освещённости которого откалиб-рован с помощью пиранометра СМ3, и значений, полученных по методу «светового эквивалента» с применением прибора «Эколайт» в различное время дня и года, позволяет утверждать, что данный метод вполне пригоден для использования. Относительная погрешность значений полученных методом «светового эквивалента», по сравнению с данными информационно-измерительного комплекса, не превышает 14%.

0

8

4.4 Сравнительный анализ выходных энергетических характеристик, полученных имитационным моделированием с характеристиками, снятыми с экспериментальной СФУ

Для подтверждения адекватности работы разработанной математической модели и составленной на её основе имитационной модели СФУ было произведено сравнение полученных моделированием ВАХ и ВВХ с характеристиками, снятыми с экспериментальной СФУ. Для создания реальных условий работы СФУ в имитационную модель в качестве внутренних параметров вводятся параметры экспериментальной СФУ, в качестве внешних (температура воздуха, интенсивность солнечного излучения и скорость ветра) -данные проведенных метеорологических наблюдений [15].

В качестве примера рассмотрим природно-климатические условия с. Кушнаренково РБ для 13 апреля 2014 г. в 9,33 ч локального солнечного времени, где были зафиксированы следующие значения:

- температуры воздуха +1°С;

- освещённость горизонтальной поверхности 46702,5 Лк, что соответствует диапазону интенсивности солнечного излучения 446,1 - 517,2 Вт/м2 в перерасчете через «световой эквивалент»;

- скорость ветра 2м/с.

Параметры СФЭ и СФБ экспериментальной СФУ: = Зоф =

37мА/см2; иоХХ =600мВ; ЯП =1Омсм2; 8СФЭ = 98,92см2; Р1 =0,0006 °С-1; Ри = - 0,0032°С-1; Л0= 14%; Т = 25°С; Бсфб =0,4556м2; МПС =36; ЫПР=1; Ц =

0,8; ^ = 2; В = 0,4см; X = 0,004К-1; £1 и в 2 = 0,98; К = 0,04 см-1.

Подставив данные значения в программу, методом корректирования были определены значения А и к при которых ВАХ и ВВХ наиболее точно совпадают с характеристиками, полученными с помощью экспериментальной СФУ. Значение параметра А определялся из условия экстремума функции и • J . После получения уточненного параметра, вводили это значение в

программу, затем снова производили корректировку данного значения. Данную операцию проводили циклически вплоть до определения параметра А с требуемой точностью.

На рисунке 4.15 представлены ВАХ и ВВХ, построенные по экспериментальным и теоретическим данным при значениях А =1,1 к = 0,1, суммарной интенсивности солнечного излучения на горизонтальную поверхность 467,025 Вт/м2. Под экспериментальными имеются в виду данные, полученные с помощью экспериментальной СФУ.

0 5 10 15 20 25

й экспериментальные даные теоретические данные

а)

и, в

Р, Вт

80

70 60 50 40 30 20 10 0

5 10 15

экспериментальные данные

20 25 в

теоретические данные

б)

Рисунок 4.15 - Характеристики СФУ с неподвижной южной ориентацией, расположенной под углом в = 45° к горизонту в с. Кушнаренково РБ для 13 апреля 2014 г в 9,33 ч локального солнечного времени при А =1,1, к = 0,1:

а - ВАХ; б - ВВХ

4

3

2

1

0

0