Разработка методов и алгоритмов повышения эффективности фотоэлектрической энергосистемы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ле Винь Тханг

• Ле Винь Тханг
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Ле Винь Тханг

ВВЕДЕНИЕ

Глава1. Анализ современного состояния вопроса повышения энергоэффективности фотоэлектрических энергосистем во Вьетнаме

1.1. Современное состояние и направления развития фотоэлектрических энергосистем в мире и во Вьетнаме

1.2. Обзор факторов, влияющих на энергоэффективность фотоэлектрических систем

1.2.1. Деградация фотоэлектрического модуля

1.2.2. Изменение солнечной радиации

1.2.3. Температура фотоэлектрического модуля

1.2.4. Затенение

1.2.5. Загрязнение

1.2.6. Потенциальная индуцированная деградация

1.2.7. Ориентация фотоэлектрического модуля и угол наклона

1.2.8. Направления развития фотоэлектрических систем

1.3. Анализ существующих способов повышения энергоэффективность фотоэлектрических систем в климатических условиях Вьетнама

1.3.1. Климатические условия во Вьетнаме

1.3.2. Производительность фотоэлектрических модулей ( самых современных технологиях)

1.3.3. Способ охлаждения поверхности фотоэлектрического модуля

1.3.4. Метод слежения за солнцем для фотоэлектрического модуля

1.3.5. Плоская гибридная фотогальваническая тепловая (РУ/Т) система

1.4.Выводы по первой главе:

Глава 2. Построение математических моделей и разработка методов управления для анализа возможностей повышения эффективности

фотоэлектрических систем

2.1. Предлагаемая система исследований

2.2. Тепловая модель фотоэлектрического модуля

2.2.1. Гипотеза баланса энергии и уравнение

2.2.2. Отраженное солнечное излучение

2.2.3. Эквивалентная теплоемкость фотоэлектрического модуля

2.2.4. Радиационное тепло

2.2.5. Конвективный теплообмен между поверхностью фотоэлектрического модуля и воздухом

2.3. Электрическая модель фотоэлектрического модуля

2.4. Модель системы слежения за солнцем

2.4.1. Солнечное излучение на наклонной плоскости

2.4.2. Одноосная модель системы слежения за солнцем

2.5. Модель системы охлаждения

2.6. Методы управления предлагаемой системой

2.6.1. Датчик температуры и датчик положения солнца

2.6.2. Вкл/выкл метод управления

2.6.3. Нечетко-логический метод управления

2.7. Оценка эффективности системы с помощью моделирования на имитационной модели

2.7.1. Солнечный день с небольшой облачностью в сухой сезон

2.7.2. Солнечный день с небольшим количеством облаков в сезон дождей

2.7.3. Пасмурный день в сезон дождей

2.8. Выводы по второй главе:

Глава 3. Разработка системы управления для повышения эффективности фотоэлектрического модуля

3.1. Проект исследовательской фотоэлектрической системы

3.2. Механическая конструкция системы слежения за солнцем в сочетании

с охлаждением

3.3. Разработка схемы управления для предлагаемой системы

3.3.1. Электрическая и электронная схема управления

3.3.2. Принцип работы системы управления

3.4. Разработка тестовой системы

3.5.Выводы по третьей главе:

Глава 4. Разработка экспериментального образца, резюме и анализ предлагаемой системы в условиях Вьетнама

4.1. Анализ и улучшение производительности

4.1.1. Инструментальная система

4.1.2.Оценка эффективности

4.1.3. Однородность экспериментальных фотоэлектрических модулей

4.1.4. Энергетический анализ

4.1.5. Экономический анализ

4.1.6. Экологический анализ

4.2. Оценка системы моделирования

4.3. Экспериментальная оценка системы слежения за солнцем с использованием нечеткой логики управления

4.3.1. Солнечный день с небольшими облаками

4.3.2. День солнечный, небольшая облачность, дождь

4.3.3. Пасмурный день, дождь

4.4. Экспериментальная оценка улучшения производительности предлагаемой системы

4.4.1. Солнечный день с небольшими облаками

4.4.2. Солнечный день с небольшими облаками и дождём

4.5. Энергетический анализ

4.5.1. Данные о погоде

4.5.2. Энергия фотоэлектрической модульной системы

4.6. Экономический анализ

4.7. Экологический анализ

4.8. Выводы по четвертой главе:

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

ССЫЛКИ И СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Сокращение Слово (термин)

ФЭ Фотоэлектрической

ФЭМ Фотоэлектрического модуля

ФЭС Фотоэлектрическая станция

ФЭЭС Фотоэлектрической энергосистемой

ПСФС Подключенные к сети фотоэлектрические системы

ССС Система слежения за солнцем

СВО Системы водяного охлаждения

ССССВО Системы слежения за солнцем в сочетании Системы водяного охлаждения

ШИМ Широтно-импульсная модуляция

КПД Коэффициент полезного действия

PI Индекс рентабельности инвестиций (Profitability Index)

IRR Внутренняя норма доходности (Internal Rate of Return)

MPPT автоматический поиск максимальной мощности

PID Потенциальная индуктивная деградация

АDC сигналов солнечных датчиков

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и алгоритмов повышения эффективности фотоэлектрической энергосистемы»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Среди возобновляемых источников энергии солнечная энергия стала самой быстрорастущей энергетической технологией в мире, потому что она использует самую распространенную возобновляемую энергию на планете (солнечную). Географическое положение Вьетнама на карте мира обеспечивает преимущество, состоящее в наличии высокой солнечной радиации на единицу площади. Вместе с тем высокая солнечная радиация приводит к повышению температуры фотоэлектрических модулей и снижению их эффективности.

В настоящее время многие решения и программы действий правительства способствовали развитию систем солнечной энергетики во Вьетнаме, например: Решение № 2068/QD-TTg от 25 ноября 2015 года. Премьер-министр утверждает стратегию развития возобновляемых источников энергии Вьетнама до 2030 г., видение до 2050 г.; Решение № 2023/рЭ-ВСТ от 5 июля 2019 г. Министра промышленности и торговли об утверждении Программы содействия развитию солнечной энергетики на крышах Вьетнама в период 2019-2025 гг.; Решение 13/2020/QD-TTg от 6 апреля 2020 г. премьер-министра о механизме поощрения развития солнечной энергетики.

Энергия, вырабатываемая фотоэлектрическими модулями, не только не

загрязняет окружающую среду во время работы, но и снижает проблемы

глобального потепления. Однако фотоэлектрические технологии в целом и

солнечная энергетика, подключенная к сети, в частности, имеют некоторые

общие проблемы, которые необходимо решать, в том числе низкую

эффективность, неблагоприятное воздействие пыли и температуры

поверхности фотоэлектрических модулей. На эффективность

фотоэлектрического модуля влияют характеристики самих фотоэлементов,

направление солнечного излучения относительно рабочей поверхности, а

также температура поверхности модуля. Кроме того, повышение

эффективности системы фотоэлектрических модулей также помогает

7

увеличить выработку электроэнергии, генерируемой в сеть, сократить время окупаемости инвестиций в проекты солнечной энергетики, позволяет экономить место для установки энергоситемы и снизить стоимость.

Повышение эффективности энергетической системы на фотоэлектрических модулях является весьма актуальной задачей решение которой требует разработки математических и физических моделей энергетической системы на фотоэлектрических модулях, для определения параметров и разработки методов и алгоритмов управления режимами фотоэлектрических модулей, обеспечивающих максимальную эффективность.

Объект исследования. Задачи решаются путем теоретических и практических исследований. Для решения поставленных в диссертации задач были использованы методы математического анализа, теории автоматического управления, математические модели и эксперименты. В данной работе исследованы используемые в настоящее время методы, в пакете Matlab, математические модели, алгоритмы и структуры системы управления системой слежения за солнцем в сочетании с системой водяного охлаждения фотоэлектрических модулей.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка методов повышения эффективности энергетических, фотоэлектрических модульных систем, разработка методов и систем охлаждения фотоэлектрических модулей, алгоритмов управления режимами и положением фотомодулей, обеспечивающих максимальную эффективностьв муссонном климате.

Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

1. Исследование факторов, влияющих на энергоэффективность системы фотоэлектрических модулей.

2. Анализ существующих методов повышения энергоэффективности

8

фотоэлектрической модульной системы в климатических условиях Вьетнама.

3. Построение математической модели системы слежения за солнцем с охлаждением фотоэлектрических модулей.

4. Разработка методов исследования для повышения эффективности системы фотоэлектрических модулей с помощью многопараметрических моделей, включая модели тепловых, электрических процессов и автоматических систем слежения за солнцем.

5. Разработка механической модели, структурной и функциональной схем управления предлагаемой системой.

6. Исследование, производство и испытание экспериментальной системы на фотоэлектрических модулях мощностью 1,32 кВт в климатических условиях Вьетнама.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы заключается в разработке моделей, алгоритмов и методов проектирования системы слежения за солнцем в сочетании с охлаждением для повышения эффективности фотоэлектрических модулей.

В ходе реализации диссертационной работы получены новые научные результаты:

1. Предложены принципы оптимизации параметров управления для повышения эффективности системы фотоэлектрических модулей, с использоваием многопараметрической модели, включающей: тепловую модель, электрическую модель, модель отслеживания солнечной энергии, что позволяет контролировать и управлять параметрами системы, обеспечивая наибольшую выходную мощность.

2. Разработана математическая модель многопараметрической системы управления. Проведено моделирование режимов управления системой слежения за солнцем в сочетании с системой охлаждения с

использованием разработанной микропроцессорной системы управления на основе контроллера нечеткой логики.

3. Разработан алгоритм и методика определения параметров контроля и управления, обеспечивающих максимальную эффективность системы фотоэлектрических модулей.

4. Разработана конструкция и предложен метод цифрового управления, обеспечивающие точную регулировку положения фотоэлектрического модуля и управление его рабочей температурой, что позволяет достигать максимальную выходную мощность при разной интенсивности солнечной радиации.

Практическую и теоретическую значимость работы имеют:

1. Разработанная многопараметрическая математическая модель системы управления, состоящая из четырех независимых моделей: тепловой модели фотоэлектрического модуля, модели системы слежения за солнцем, модели системы охлаждения и электрической модели фотоэлектрического модуля;

2. Полученные результаты математического моделирования системы управления с использованием регуляторов на основе нечеткой логики;

3. Разработанные конструкция, структурная и функциональная схемы системы слежения за солнцем, совмещенной с охлаждением фотоэлектрических модулей;

4. Разработанные алгоритмы и методы контроля и управления с поддержанием оптимальной рабочей температуры фотоэлектрического модуля для обеспечения максимальной эффективности энергосистемы;

5. Полученные результаты исследований разработанного экспериментального образца системы на фотоэлектрических модулях, включая результаты тестирования и оценку возможности повышения производительности фотоэлектрических модулей в реальных условиях Вьетнама;

6. Предложенные методы синтеза многопараметрических систем управления, определяющих повышение качества и производительности, для фотоэнергетических установок;

7. Разработанная методика оценки эффективности энергосистемы в среде Matlab-simulink, с использованием многопараметрической модели при проведении натурных испытаний в в городе Хюэ во Вьетнаме;

8. Разработанный датчик определения положения солнца, состоящий из двух встроенных солнечных элементов, что обеспечивает стабильную работу в разных условиях освещенности.

Достоверность полученных результатов Достоверность новых научных результатов подтверждена высокой степенью совпадения результатов компьютерного моделирование с результатами, полученными при проведении экспериментов в климатических условиях Вьетнама.

Личный вклад автора Все основные научные результаты, а именно математические модели, структурные схемы, алгоритмы, результаты численных расчетов и проведенных испытаний , получены и исследованы автором лично.

Внедрение результатов.

1. С использованием полученных результатов исследований, создан экспериментальный образец энергоустановки мощностью 1,32 кВт установленный в городе Хюэ, Центральный Вьетнам, в системе управления которого реализован контроллер на основе нечеткой логики, осуществляющий управление параметрами системы с использованием предложенной многопараметрической модели, что позволяет проводить проектирование и исследование режимов работы разрабатываемых энергосистем на фотомодулях с использованием разных технологий.

2. Результаты диссертации используются в учебном процессе НИУ МИЭТ по дисциплине «Алгоритмические и технические средства обработки сигналов», что отмечено в соответствующем акте внедрения.

Результаты, выносимые на защиту:

11

1. Разработанные принципы оптимизации параметров управления для повышения эффективности системы фотоэлектрических модулей, с использоваием многопараметрической модели, включающей: тепловую модель, электрическую модель, модель отслеживания солнечной энергии, что позволяет контролировать и управлять параметрами системы, обеспечивая наибольшую выходную мощность.

2. Предложенная и разработанная в пакете Matlab-simulink, математическая модель многопараметрической системы управления.

3. Результаты моделирования режимов управления системой слежения за солнцем в сочетании с системой охлаждения с использованием разработанной микропроцессорной системы управления на основе контроллера нечеткой логики. и экспериментально показананая возможность повышения эффективности фотоэлектических модулей в реальных условиях климата во Вьетнаме.

4. Конструктивные особенности энергоустановки на фотоэлектрических модулях, а также разработанная структурная и функциональные схемы предлагаемой системы управления с контроллером нечеткой логики.

5. Полученные результаты испытаний экспериментального образца энергоустановки в условиях центрального Вьетнама.

Публикации по работе. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах, в том числе 3 работы в журналах, входящих в список, утвержденный ВАК и 3 работы в международной реферативной базе данных SCOPUS, а также 7 - тезисов докладов на российских и международных конференциях, входящих в систему цитирования РИНЦ. Без соавторов опубликована 2 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений, списка литературы и приложения. Материал работы изложен на 147 страницах, включая 65 рисунков и 26 таблиц. Список литературы содержит 121 наименование.

Глава1. Анализ современного состояния вопроса повышения энергоэффективности фотоэлектрических энергосистем во Вьетнаме

1.1. Современное состояние и направления развития фотоэлектрических энергосистем в мире и во Вьетнаме

Потребление электроэнергии в жилом секторе быстро растет из-за увеличения доходов, роста населения и увеличения спроса на бытовую электронику и бытовую технику [1]. Под влиянием пандемии covid-19 потребление энергии в жилищном секторе увеличилось на 30% в 2020 году [2] и, как ожидается, продолжит расти.Во Вьетнаме гидроэлектроэнергия и угольная тепловая энергия по-прежнему являются основными источниками производства электроэнергии [3], однако проекты солнечной энергетики значительно выросли благодаря национальной политике поддержки. Хотя Вьетнам обладает большим потенциалом для солнечной энергетики, политика развития солнечной энергетики во Вьетнаме началась в 2015 году с Постановления правительства 2068 / QD-TTg, в котором солнечная энергия установлена на уровне 1,4 млрд кВтч в 2020 году и 35,4 млрд кВтч в 2030 году и 210 млрд кВтч в 2050 г. [4]. По состоянию на апрель 2017 года первый FiT (Feed-in Tariff) составляет 9,35 цента США/кВтч в соответствии с Постановлением правительства 11/2017/QD-TTg, объявленным для солнечной энергетики, особенно для проектов ПСФС (Подключенные к сети фотоэлектрические системы) на крышах под реальным механизмом измерения. По состоянию на январь 2019 года правительство разрешило проектам ПСФС на крышах продавать электроэнергию по FiT1 в размере 9,35 центов США/кВтч через двухсторонний счетчик электроэнергии. Соответственно, к концу 2019 года общая солнечная мощность резко увеличилась примерно до 5 ГВт, в том числе около 4,5 ГВт новых солнечных электростанций ПСФС и почти 0,4 ГВт системы ПСФС на крыше [4]. Цена FiT2 составляет 8,38 цента США/кВтч в соответствии с Постановлением правительства 13/2020,

действующим с 30 июня 2019 г. по 31 декабря 2020 г.. За это время во Вьетнаме было 101029 крыш проекта система с общей установленной мощностью около 9296 МВт а общая установленная мощность солнечных фотоэлектрических систем составляет около 19400 МВт (что составляет около 25% от общей установленной мощности национальной энергосистемы) [5]. К настоящему времени установленная мощность солнечной фотоэлектрической системы на крыше достигла 9580 МВт [6]. Таким образом, с момента окончания FiT2 строительство и монтаж системы ПСФС остановились в ожидании нового решения правительства. И это также время для исследователей, чтобы сделать соответствующую общую оценку и анализ эффективности и воздействия солнечных фотоэлектрических систем на крышах.

Недавно вьетнамское правительство издало Постановление № 500/QD-TTg премьер-министра, утверждающее план национального развития электроэнергетики на период 2021-2030 г, с перспективой до 2050 г. (генеральный план электроэнергетики 8) [7]. Примечательно, что Power план 8 отдает приоритет интенсивному развитию возобновляемых источников энергии для производства электроэнергии. К 2030 году этот источник энергии достигнет соотношения примерно 30,9-39,2%. Кроме того, Вьетнам стремится к тому, чтобы к 2030 году 50% офисных зданий и 50% жилых зданий использовали солнечную энергию на крыше потребление на месте (а не продажа электроэнергии в национальную электроэнергетическую систему) [7]. Среди возобновляемых источников энергии солнечная энергия стала самой быстрорастущей энергетической технологией в мире, потому что она использует самые распространенные возобновляемые источники энергии на планете (солнечную), низкие эксплуатационные расходы и низкие затраты по сравнению с другими технологиями возобновляемых источников энергии и могут быть установлены на одном устройстве или в больших масштабах [8].

В настоящее время существуют три основные технологии, использующие в основном солнечную энергию:

- Фотоэлектрическая технология-это технология, которая преобразует солнечное излучение (фотоны света) непосредственно в электричество.

- Технология конвергенции солнечной энергии или солнечной тепловой энергии (Concentrated Solar Power), или называемая технологией солнечной тепловой энергии (Solar Thermal Energy), преобразует солнечное излучение в тепловую энергию, используемую для выработки пара, чтобы сделать пар, вращающий термоэлектрическую паровую турбину.

- Низкотемпературная солнечная тепловая технология - это технология, которая улавливает солнечную энергию и преобразует ее в источник низкотемпературной тепловой энергии (ниже 200°C) на основе парникового эффекта.

В фотоэлектрических технологиях фотоэлектрические модули -это устройства, которые напрямую собирают и преобразуют солнечную энергию в электричество (постоянный ток). Солнечные энергетические системы, использующие фотоэлектрическую технологию, также известные как фотоэлектрические системы, имеют относительно низкую эффективность преобразования, в пределах от 15% ^ 18% для коммерческих систем. Однако эта система имеет простую структуру, надежную и долговечную работу, простоту в эксплуатации и обслуживании и очень низкую стоимость. Для технологии солнечной тепловой энергии солнечные коллекторы представляют собой легкие конвергентные устройства (такие как параболические зеркальные желоба, конвергентные башни с использованием плоских зеркал ...), солнечная энергия направлена на то, чтобы помочь процессу пропаривания при высоком давлении и температуре, чтобы привести в действие электрическую турбину для выработки энергии электричество. Ограничением этой технологии является требование большой

установленной мощности и высокая стоимость.

15

Фотоэлектрические системы обычно подразделяются на: автономные фотоэлектрические системы, подключенные к сети фотоэлектрические системы и подключенные к сети фотоэлектрические системы хранения. Каждая система имеет свои преимущества и недостатки, ниже приведен некоторый анализ этих фотоэлектрических систем. В этой теме, посвященной использованию фотогальванических технологий, объектом исследования является фотоэлектрическая система, подключенная к сети.

Рис1.1. Автономная фотоэлектрическая система На рис 1.1. приведена схема автономной фотоэлектрической системы. Автономные фотоэлектрические системы обеспечивают электроэнергией электрические приборы в доме, которые не подключены к сети. Когда солнечные лучи освещают фотоэлектрические модули, электрическая энергия постоянного тока, вырабатываемая контроллером заряда, полностью заряжает аккумуляторные батареи. Контроллер заряда отвечает за распределение мощности постоянного тока на нагрузки постоянного и переменного тока через инвертор. В отсутствие солнца контроллер заряда будет использовать энергию постоянного тока от батареи для питания нагрузок.

Рис 1.2. Подключенные к сети фотоэлектрические системы

Рис 1.3. Подключенные к сети фотоэлектрические системы хранения Обычная солнечная энергетическая система, подключенная к сети, не будет использовать аккумуляторную батарею, мощность постоянного тока от фотоэлектрического модуля через сетевой инвертор будет преобразована в синхронный источник переменного тока в сеть. Когда сетевое питание пропадает, синхронный сигнал будет потерян, и для обеспечения безопасности сетевой инвертор часто имеет функцию отключения выхода переменного тока. Блок-схема солнечной энергосистемы, подключенной к сети, показана на рис 1.2.

Аккумулирующая фотоэлектрическая система, подключенная к сети (Рис 1.3), более сложна, чем подключенная к сети фотоэлектрическая система. Это устройство выполняет ту же задачу, что и обычный инвертор,

подключенный к сети, но в первую очередь оно будет отдавать приоритет зарядке аккумуляторной батареи. Когда питание сети пропадает, это устройство будет получать питание постоянного тока от аккумуляторной батареи или непосредственно от фотоэлектрического модуля, чтобы преобразовать его в питание переменного тока 220 В для питания приоритетных нагрузок, и в то же время подключение к сети перестанет работать ( значит отключен от сети). Кроме того, некоторые новые сетевые инверторы с накоплением энергии также включают в себя некоторые функции, такие как приоритизация подачи питания для нагрузок в часы пик, снижение пиковых нагрузок или снижение высоких затрат на электроэнергию.

Преимущества обычных фотоэлектрических систем, подключенных к сети, заключаются в простых схемах, простоте установки и низких первоначальных затратах. Его недостаток заключается в том, что он используется только в районах с национальной электросетью, полностью используя электроэнергию в ночное время, система не будет генерировать электроэнергию, когда электроэнергия отключена.

Небольшая электрическая система на крыше, подключенная к сети, обеспечивает высокую эффективность в городских районах, поскольку она не потребляет места на земле, снижает ежемесячные счета за электроэнергию, предотвращает подачу тепла в здания, приносит доход домохозяйствам и снижает затраты на передачу и распределение. Кроме того, под влиянием государственной политики увеличивается установленная мощность крышной системы ПСФС. Наряду с этим в литературе увеличивается количество исследований, связанных с этой областью [9-13].

За период с 2015 по 2019 год в Европе было провереноболее 32000

крышных фотоэлектрических систем, результаты показывают, что

долгосрочные средние удельные выработки составляет от 947 до 1195

кВтч/кВт, и коэффициент преобразования энергии составляет от 0,73 до

18

0,74 [10]. В Палестине была проведена оценка системы ПСФС 41 кВт в медицинском корпусе Национального университета Ан-Наджа, Наблус, которая показала, что общий годовой объем электроэнергии, поставляемой в сеть, составляет 66571,5 кВтч. Среднегодовая конечная мощность сравнивалась с другими системами, установленными в разных местах по всему миру, значение в Палестине составило 1684 кВтч/кВт, а среднегодовой коэффициент преобразования энергии установки составил 84%, а средний простой срок окупаемости 4,33 года [12].

В Малайзии многие исследователи обсуждали систему ПСФС на крыше. Исследование системы ПСФС 7,8 кВт в жилом доме по схеме тарифа на электроэнергию ^Т) за два года 2018-2019 показывает, что коэффициент производительности, коэффициент использования электроэнергии, общая эффективность составляют 65-71%, 13% -16% уа 10% -12% соответственно, а срок окупаемости составляет 5-7 лет [9]. Система ПСФС мощностью 232,5 кВт в Университете Монаш, Малайзия, с программой самопотребления была изучена и показала, что коэффициент производительности, коэффициент использования электроэнергии, общая эффективность составляют 85,4%, 14,85%, 9,15% соответственно, кроме того, срок окупаемости оценивается в 8 лет [14]. Была изучена система ПСФСмощностью 6,08 кВт, установленная в Энергетическом центре Малайзии в рамках Малайзийской комплексной фотоэлектрической программы для зданий, и был представлен коэффициент преобразования энергии системы на 2008 и 2009 годы [15].

В Индонезии солнечная электростанция Купанг имеет мощность 5 МВт в соответствии с Положением о высоких тарифах для солнечной электростанции, которое оценивалось с марта 2016 года по декабрь 2019 года, и результаты показывают, что дневной коэффициент преобразования энергии составляют от 70% до 90%, срок окупаемости 8 лет [16].

В последние годы ряд инструментов энергетического анализа и

моделирования для систем ПСФС очень полезен для помощи в

19

проектировании системы. Исследователи использовали инструменты, такие как PVsyst [9], PVGIS [17], SolarGIS [18] для прогнозирования и моделирования энергиисистемы ПСФС. Другие выполняли экономический анализ с помощью HOMER [17]. Результаты моделирования показывают, что ошибка относительно невелика по сравнению с фактическими результатами, которые можно использовать в качестве первоначальных оценок для проектов ПСФС.

В Таиланде результаты исследования показывают, что центральный регион Таиланда является подходящим местом для установки фотоэлектрических систем на крышах с точки зрения солнечного излучения, более высокой температуры и мощности выработки солнечной энергии, чем в других регионах [19]. Системы ПСФС на крыше со схемой FiT имеют дисконтированный период окупаемости 6,1 года, IRR 15% и PI 2,57 [19]. Кроме того, первые 8 месяцев мониторинга системы ПСФС мощностью 500 кВт на Северо-Западе Таиланда показали следующие результаты, дневная конечная выработка колебалась от 2,91 до 3,98 кВтч/кВт, а коэффициент полезного действия находился в диапазоне от 0,7 до 0,9 [20].

Во Вьетнаме системы ПСФС развиваются быстрыми темпами, однако количество публикаций по анализу производительности систем ограничено. Имитационный анализ фотоэлектрической системы мощностью 15 кВт, используемой в модели неэнергетического здания в Ханое, Вьетнам, показал, что при оптимальном угле наклона 15° средняя система вырабатывает только 60% номинальной мощности даже в самый солнечный месяц [21]. Пилотное исследование одноосного автоматического устройства мониторинга солнечной активности в центральном Вьетнаме показало, что средняя эффективность системы увеличилась на 15,2%, при этом общее энергопотребление контролируемого устройства солнечной энергии составляет примерно 28% энергии солнечной энергии. генерируется системой ПСФС [10], а

20

коэффициент полезного действия составляет 66,0% и 69,2% соответственно для системы ПСФС без и с одноосным солнечным трекером [22]. Моделирование прогнозируемой выработки энергии для жизненного цикла проекта, денежного потока и энергетического дохода от программы FiT показывает период окупаемости в 8 лет по сравнению с 20 годами для проекта в Гиа Лай, Вьетнам [23]. Исследование системы ПСФС в Центральном нагорье Вьетнама показывает, что розничная цена на электроэнергию влияет на период окупаемости, самый короткий срок составляет 4 года для системы бытовой установки с использованием самой высокой цены [24]. Солнечная энергосистема на крыше мощностью 8,36 кВт была смоделирована и проанализирована в доме в городе Тху Дау Мот, Вьетнам [25]. Моделирование выполнено с помощью программного обеспечения PVsyst 6.7.0, количество электроэнергии, производимой системой, составляет 3,64 кВтч/кВт/сутки. Суммарная мощность устройств составляет около 7 кВт, расчетное энергопотребление домохозяйств - 26,6 кВтч/сутки. Если предположить, что дневное потребление энергии полностью используется от фотоэлектрической системы, срок службы проекта составляет 20 лет, а ставка дисконтирования составляет 3%, LCOE (Levelized cost of energy) этой системы составляет 0,048 долл. США / кВтч, а срок окупаемости составляет 6,74 года [25].

1.2. Обзор факторов, влияющих на энергоэффективность фотоэлектрических систем

Солнечные фотоэлектрические системы подразделяются на три

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ле Винь Тханг, 2024 год

// _

\

40

3

§ зо

н

0

Я

5-20

с

я &

1 10

О)

/ / N Л

// / / \\

/ 1

J 1

— —I шксированная сис. ис. слежения ис. охлаждения ибридиая снс. гредлагаемая сис.

7 9 11 13 15 Время суток, ч а)

17 19

7 9 11 13 15 Время суток, ч б)

17 19

Рис 2.16. Выходная мощность и температура фотоэлектрических модулей, использующих различные системы, в солнечный день с

небольшой облачностью в сезон дождей Таблица 2.4. Выходная мощность и эффективность по сравнению с системой с фиксированным наклоном в солнечные дни с небольшой

облачностью в сезон дождей

Система фиксирован ная сис. сис. слежения сис. охлаждения гибрид ная сис. предлагаем ая сис.

Выходная мощность , Втч 1701,82 2009,26 1710,47 2022,11 2033,11

Повышен ие эффектив ности, % 0 18,07 0,51 18,82 19,47

на рис 2.16 показаны выходная мощность и температура фотоэлектрических модулей с использованием различных систем. Низкая температура воздуха в сочетании с сильным ветром приводит к тому, что температура фотомодулей не превышает 49°С, что близко к заданной температуре системы охлаждения, поэтому система охлаждения практически не работает. улучшение на 0,51% по сравнению с фотоэлектрическими модулями, использующими фиксированную систему наклона (таблица 2.4). Общее излучение в течение дня низкое, но фотоэлектрический модуль с системой слежения за солнцем и предлагаемая система имеют хорошую эффективность с повышением эффективности на 12,55% по сравнению с фотоэлектрическим модулем с фиксированным наклоном. С точки зрения управления, фотоэлектрический модуль, использующий систему управления с нечеткой логикой, имеет выходную мощность на 0,54% выше, чем фотоэлектрический модуль, использующий систему управления включением/выключением.

2.7.3. Пасмурный день в сезон дождей

на рис 2.17 представлены данные о погоде в пасмурный день с дождем в сезон дождей (22 ноября 2021 г.). В полдень с 12 до 14 часов самая высокая температура воздуха 27,7°С, максимальная скорость ветра за сутки 4,9 м/с. Глобальное горизонтальное излучение достигло пика в 795 Вт/м2. Из-за облаков прямое излучение ^N1) равно нулю в течение многих часов и появляется только между 11:00 и 14:00. В течение дня суммарная солнечная радиация составляет 3,94 кВтч/м2.

Рис 2.17. Данные о погоде в пасмурный день в сезон дождей, а) GHI, DNI, DHI; б) Температура воздуха и скорость ветра

Рис 2.18. Выходная мощность и температура фотоэлектрических модулей с использованием различных систем в пасмурный день в сезон дождей

Таблица 2.5. Выходная мощность и эффективность по сравнению с

системой фиксированного наклона в пасмурный день во время дождя

Система фиксирован ная сис. сис. слежения сис. охлаждения гибрид ная сис. предлагаем ая сис.

Выходная мощность , Втч 1180,06 1232,75 1191,14 1244,38 1247,2

Повышен ие эффектив ности, % 0 4,47 0,94 5,45 5,69

На рис 2.18 показаны выходная мощность и температура фотоэлектрических модулей с использованием различных систем. Очевидно, что выходная мощность фотоэлектрических модулей одинакова, максимальная температура фотоэлектрического модуля составляет 51,8°С. Повышение энергоэффективности фотоэлектрических модулей с использованием систем по сравнению с фотоэлектрическими модулями с фиксированными системами наклона представлено в таблице 2.5. С точки зрения управления, фотоэлектрический модуль, использующий систему управления с нечеткой логикой, имеет выходную мощность на 0,23% выше, чем фотоэлектрический модуль, использующий систему управления включением/выключением. Это доказывает, что в дни с низкой температурой, как в случае 2.7.2 и 2.7.3, предлагаемая система с нечеткой логикой управления более эффективна.

2.8. Выводы по второй главе:

1. Проведен анализ влияния значений параметров и точности управления положением и температурой ФЭС с применением нечеткой логики и сформулированы требования к системе для повышения эффективности фотоэлектрического модуля.

2. Предложена и разработана многопараметрическая математическая модель системы управления, состоящая из четырех независимых моделей:

тепловой модели фотоэлектрического модуля, модели системы слежения за солнцем, модели системы охлаждения и электрической модели фотоэлектрического модуля.

3. Проведена оценка эффективности системы с помощью моделирования в среде Matlab-simulink. Входными данными при этом являются погодные параметры от Solcast, включая GHI, DNI, DHI, температура воздуха и скорость ветра в городе Хюэ во Вьетнаме, имеющих два совершенно разных сезона дождей и сухой сезон. В исследовании выбраны типичные погодные условия: солнечные дни, несколько дней, облачность в сухой сезон (25 августа 2022 г.), пасмурные дни в сезон дождей (13 ноября 2022 г.). В исследовании сравнивалась эффективность ФЭМ с пятью различными системами: с углом наклона, фиксированным по широте (фиксированная система), с использованием ССС (система слежения), с использованием СВО (система охлаждения), с использованием ССССВО с включенным/выключенным управлением (гибридная система) и с использованием ССССВО с управлением нечеткой логикой (предлагаемая система). Показано, что выходная мощность ФЭМ с использованием ССССВО обеспечивает наибольшую эффективность во все месяцы года. ФЭМ с использованием ССС имеет большую эффективность, чем другие системы.

Глава 3. Разработка системы управления для повышения эффективности фотоэлектрического модуля

3.1. Проект исследовательской фотоэлектрической системы

В этом исследовании предлагается использовать фотоэлектрическую систему, связанную с сетью, поскольку она имеет много преимуществ, таких как: фотоэлектрическая система, связанная с сетью, работает параллельно с сетью и является полностью автоматической не требуя манипуляций, включая включение, выключение, переключение; низкие первоначальные инвестиции, затраты на техническое обслуживание и; высокую долговечность (до 25 лет) и эффективность преобразования энергии и короткий срок окупаемости 4-6 лет [104].

Чтобы оценить эффективность предлагаемой системы, необходимо построить как минимум две фотоэлектрические системы, связанные с сетью, которые аналогичны как по мощности, так и по режиму работы. Таким образом, в исследовании предлагается фотоэлектрическая система, связанная с сетью, состоящая из четырех коммерческих поликристаллических фотоэлектрических (РУ) модулей SUN330-72P и подключенной к сети микроинверторной системы Ниауи HY-1200-Pro с четырьмя независимыми входами МРРТ (отслеживание точки максимальной мощности). Каждый фотоэлектрический модуль был напрямую подключен к независимому входу МРРТ системы микропреобразования. Микроинвертор был подключен к однофазной сети переменного тока низкого напряжения 220 В, 50 Гц. Технические характеристики фотоэлектрического модуля при стандартных условиях испытаний и микроинверторной системы приведены в таблице 3.1, таблице 3.2 [105] соответственно.

Подключенную к сети фотоэлектрическую модульную систему

предлагается установить в тропическом муссонном климате провинции

Тхуа Тьен Хюэ, центральный Вьетнам (город Хюэ), на 16,47° северной

широты, 107,60° восточной долготы на высоте 15 м над землей. Согласно

74

[10] оптимальный угол наклона равен углу широты места установки, поэтому фотомодули системы устанавливаются с оптимальным углом наклона около 17°, а южная сторона соответствует азимуту 0°. В котором один фотоэлектрический модуль используется с предлагаемой системой, а остальные три фотоэлектрических модуля используются для сравнения. Схема электрических соединений показана на рис 3.1.

Рис 3.1. Схема электрических соединений. 1 - фотоэлектрические панели с использованием предлагаемой системы; 2 - фотопанели сравнения; 3 - микроинвертор Таблица 3.1. Параметры фотоэлектрических панелей

Фотоэлектрический модуль Характеристики

Тип SUN330-72P

Тип ячеек PolycrystaШne

Номинальная мощность 330 Вт

Эффективность модуля 17.09%

Количество ячеек 72

Напряжение при 37.8 В

максимальной мощности

Ток при максимальной 8.73 A

мощности

Ток короткого замыкания 9.22 A

Холостое напряжение 45.5 В

Размер модуля 1950x990x40 мм

Веса 23 кг

Таблица 3.2. Технические характеристики микроинвертора HY-1200-Pro

Номинальная 1,200 Вт

мощность

переменного тока

Рекомендуемая 4 х 210~400Вт

входная мощность

Максимальное 60В

напряжение

постоянного тока

Диапазон напряжения МРРТ 25~55В

Максимальная 96.5%

эффективность

№ входа МРРТ 4

Гарантия 25 год

3.2. Механическая конструкция системы слежения за солнцем в сочетании с охлаждением

Предлагаемая система спроектирована и установлена с автоматическим рабочим механизмом, регулирующим вращение плоскости фотоэлектрического модуля так, чтобы солнечное излучение всегда было перпендикулярно плоскости фотоэлектрического модуля, управляющим системой охлаждения так, чтобы температура фотоэлектрического модуля всегда была ниже заданной температуры.

Системы слежения за Солнцем можно разделить на две основные категории: одноосные (вращающиеся по дням или сезонам), двухосные (вращающиеся по дням и сезонам года) [64]. Среди них одноосная система слежения за солнцем с простой структурой, имеет разумное повышение эффективности, низкую стоимость производства, поэтому она широко используется. Это исследование также посвящено разработке и исследованию одноосной системы слежения за Солнцем, которая вращается днем. Одноосная система слежения за солнцем имеет наклонный вращающийся вал и регулируется с помощью системы линейного привода.

Системы охлаждения фотоэлектрических модулей можно разделить на: пассивное охлаждение и активное охлаждение. Технологии пассивного охлаждения не требуют дополнительной энергии для охлаждения фотоэлектрического модуля, в то время как активное охлаждение обеспечивается вентилятором или насосом. Очевидно, что активная система охлаждения намного эффективнее пассивной системы охлаждения, особенно когда модульная система РУ находится в жарких засушливых районах или в пустыне [106]. Это исследование направлено на создание активной системы водяного охлаждения с 6 форсунками с шагом 16 см, расположенными в верхней части ширины фотоэлектрического модуля, чтобы они не были все время затенены.

На рис 3.2 представлена конструкция одноосной системы слежения за солнцем в сочетании с водяным охлаждением для фотоэлектрических модулей с видом справа (Рис 3.2.а), видом спереди (Рис 3.2.б), трехмерной ориентацией (Рис 3.2.в) и вид сверху вниз (Рис 3.2.г).

Одноосная система слежения за солнцем с водяным охлаждением для фотоэлектрического модуля, состоящая как минимум из одного фотоэлектрического модуля (1), закрепленного на опорной раме (2), опорной рамы (2), которая может вращаться вокруг основного шпинделя (4), главный шпиндель (4) установлен на наклонной опорной стойке (3.1), наклонная опорная стойка (3.1) закреплена на основной опорной стойке (3) с углом наклона 17° (равном широте места установки), опорная рама ( 2) соединен с линейным приводом (5) через первый вспомогательный вращающийся вал (5.1), линейный привод (5) соединен с основной опорной стойкой (3) через второй вспомогательный вращающийся вал (5.2), на на основной опорной стойке (3) размещен водяной насос (8) и шкаф управления (6), в высокой части опорной рамы (2) размещен датчик положения лица на солнце (7) и не менее шести распылительных форсунок (10), на нижней поверхности фотоэлектрического модуля (1) расположены

не менее четырех датчиков температуры (9.1, 9.2, 9.3, 9.4).

77

Основная опорная стойка (3) закреплена на плоскости земли так, чтобы проекция основной оси вращения (4) на землю совпадала с направлением юг-север и обеспечивала, чтобы верхняя поверхность фотогальванического модуля (1) была обращена на юг. Линейный привод (5) посредством трех вращающихся осей (5.1, 5.2 и 4) позволяет фотогальваническому модулю (1) вращаться с востока на запад и поворачивается на восток, когда линейный привод (5) втягивается. Если его укоротить, он поворачивается в на восток, а когда линейный привод (5) выталкивает его, он поворачивается на запад.

Размеры линейного привода, положение первой вспомогательной оси вращения (5.1) и второй вспомогательной оси вращения (5.2) рассчитываются таким образом, чтобы угол поворота фотогальванического модуля (1) проектировался в пределах ±45°. Параметры линейного привода приведены в таблице 3.3.

Рис 3.2. Конструкция одноосной системы слежения за солнцем в сочетании с водяным охлаждением для фотоэлектрических модулей. а) правое направление взгляда; б) направление обзора спереди; в) трехмерная ориентация; г) вид сверху вниз. 1. Фотоэлектрический модуль; 2. Опорная

рама; 3. Главный столб; 3.1. Наклонная опорная стойка; 4. Главный шпиндель; 5. Линейный привод; 5.1. Первый вспомогательный вал; 5.2. Второй вспомогательный вал; 6. Шкаф управления; 7. Датчик положения солнца; 8. Откачка воды; 9. Четыре датчика температуры (9.1, 9.2, 9.3, 9.4); 10. разбрызгиватели

Таблица 3.3. Параметры линейного привода

Параметр Размер

Напряжение 12 V

Номинальная мощность 20W

Линейная скорость 10mm/s

Подъемная сила 900N

Длина хода 500шта

Втянутая длина 650 mm

Увеличенная длина 1150 mm

3.3. Разработка схемы управления для предлагаемой системы

3.3.1. Электрическая и электронная схема управления

на рис 3.3 представлена электрическая, электронная и водная блок-схема одноосной системы слежения за солнцем с комбинированным охлаждением фотоэлектрического модуля. На форсунки (10) подается вода из 100-литрового бака через водяной насос (8), вода забирается непосредственно из водопровода общего пользования. В состав шкафа управления (6) входит основная система управления (БДК), которая питается от источника постоянного тока 12В по цепи низкого напряжения, основная система управления получает сигналы от четырех датчиков температуры (9) и датчиков переменного положения солнца (7), основная система управления выдает сигнал управления водяным насосом (8) через мостовую схему Н1 и управляет системой линейного привода (5) через мостовую схему Н2, обе схемы мостов Н1 и Н2 питаются от сети 12 В постоянного тока.

Двигатель насоса 12В с максимальным расходом воды 3,5 л/мин, давлением 0,48 бар и охлаждающим эффектом прямого распыления воды по всей площади фотомодулей. Мостовые схемы H1 и H2 используют мостовую схему L298n. В основной системе управления используется плата Arduino Uno R3 с параметрами, приведенными в таблице 3.4.

Таблица 3.4. Технические характеристики Arduino Uno

Параметр Размер

Микроконтроллеры ATmega328

Рабочее напряжение 5V

Рекомендуемое напряжение 6-9V

Количество контактов цифрового ввода/вывода 14

Количество аналоговых контактов 6

Максимальный выходной ток на вывод канала ввода/вывода 30 mA

Максимальный выходной ток (5 В) 500 mA

Максимальный выходной ток (3,3 В) 50 mA

Вибрация кварца 16 MHz

Рис 3.3. Блок-схема электрической - электронной и водяной систем

Датчик температуры (9), представляет собой водонепроницаемый датчик температуры DS18B20 (Рис 3.4). Это цифровой датчик температуры с разрешением преобразования 9-12 бит и функцией сигнализации контроля температуры. DS18B20 обменивается данными с микроконтроллером по однопроводной линии связи с использованием протокола интерфейса 1-^ге. Его технические характеристики приведены в таблице 3.5 [107].

Таблица 3.5. Технические характеристики датчика температуры

DS18B20

Параметр Значение параметра

Диапазон измеряемых температур -55 ... + 125 ° C

Точность ± 0.5 ° C (within -10 ... + 85 ° C)

Время сбора данных 750 ms at 12-bit resolution 94 ms at 9-bit resolution

Напряжение питания 3-5.5 V

Потребляемый ток в пробнике 1 mA

v

Рис 3.4. Водонепроницаемый датчик температуры DS18B20

Датчик положения солнца (7), использованный в этом исследовании,

показан на рис 3.5. Датчик положения солнца (7), используемый для

одноосной системы слежения за солнцем, состоит из двух одинаковых

фотоэлементов (солнечных элементов), наклоненных под одинаковым

углом. При разном эффекте освещения формируются 2 разных

управляющих сигнала. Путем сравнительного анализа для управления

81

системой слежения за солнцем, чтобы фотоэлектрические модули в направлении света, попадающего на фотоэлектрический датчик, были равными и сбалансированными.

о

солнечные батареи Рис 3.5. Датчик положения солнца

3.3.2. Принцип работы системы управления

- Включение/выключение управления

Алгоритм работы одноосной системы слежения за солнцем в сочетании с охлаждением фотоэлектрического модуля приведен на рис 3.6.

Основная система управления позволяет задавать параметры, начиная с заданной температуры Т^ 45 °С, порога темноты от датчика положения солнца ЛОСаагк 20 и порога ЛОС^го! 10.0сновная система управления непрерывно считывает температуру с четырех датчиков температуры (Т1, Т2, Тз, Т4) и двух сигналов с датчика положения солнца (ДОС^^ и ЛОСеа81), а затем вычисляет среднее значение температуры фотоэлектрического модуля (Тауе=( Т1+Т2+Т3+Т4У4), рабочий порог (ЛDCwork=ADCwest+ADCeast), разностный порог (ADC=ADCwest-ADCeast). Затем основная система управления сравнивает комбинацию рабочего порога с темным порогом и абсолютное значение разностного порога с контрольным порогом ([ADCwork>ADCdark]&[abs(ADC)>ADCcontrol]). Если ложная остановка вращения и возврат к считыванию сигнала датчика, если истина, то

продолжить сравнение пороговой разности с нулем (Л0С>0), если Л0С>0 истина (означает, что солнечное излучение смещается на запад), то управление системой линейного привода выталкивается ( вращается на запад), если Л0С>0 ложно (это означает, что солнечное излучение отклоняется на восток), то управление системой линейного привода укорачивается (поворот на восток). После завершения поворотного управления основная система управления сравнивает среднюю температуру Т^ с заданной температурой Т^ (Тте> Т8Й), если она верна, то работает управление водяным насосом (насосом), если неправильно, то насос регулирует воду перестает работать (прекратить качать). Затем вернитесь к считыванию сигнала датчика.

Основная система управления постоянно работает с блок-схемой машины, так что устройство автоматически регулирует вращение плоскости фотоэлектрического модуля так, чтобы его плоскость всегда была перпендикулярна солнечному излучению, и в то же время регулирует систему.Спринклерная система работает так, чтобы температура фотоэлектрического модуля была ниже заданной температуры. Таким образом, производительность фотоэлектрических модулей улучшается.

- Нечеткое логическое управление

Для предлагаемой системы, использующей систему управления с нечеткой логикой, последовательность алгоритмов управления аналогична системе управления включением/выключением, представленной выше в разделе, только разница на этапе сравнения изменяется путем затемнения и устранения фаззинга. Принцип затемнения и устранения фаззинга представлен в разделе 2.6.3.

Рис 3.6. Алгоритм работы одноосной системы слежения за солнцем в сочетании с охлаждением фотоэлектрического модуля 3.4. Разработка тестовой системы

Для проведения реального эксперимента на фотоэлектрический модуль была установлена система слежения за солнцем с водяным охлаждением (Рис 3.7). Три модуля ФЭ для сравнения и оценки установлены под фиксированным углом 17°С. (Рис 3.7)

Рис 3.7 Одноосная система слежения за солнцем с водяным охлаждением фотоэлектрического модуля

3.5.Выводы по третьей главе:

1. Разработана общая математическая модель и принцип управления системой.

2. Предложен дизайн системы повышения эффективности фотоэлектрического модуля, включает в себя механическую модель системы, электронную схему и схему управления охлаждением модуля.

3. Для проведения испытаний и сравнения экспериментальных результатов с результатами моделирования моделированием в Ма^аЬ была разработана и изготовлена исследовательская модель ССССВО для ФЭМ с автоматическим механизмом работы, которая регулирует вращение поверхности ФЭМ так, чтобы солнечное излучение всегда было перпендикулярно поверхности ФЭМ, и регулирует рабочий охладитель так, чтобы температура ФЭМ была ниже заданной температуры. Полученные результаты с высокой степенью достоверности потвердили результаты математического моделирования.

4.Разработан алгоритм работы системы повышения производительности фотоэлектрического модуля с использованием контроллера на основе нечеткой логики.

5. Предложен датчик определения положения солнца, состоящий из двух встроенных солнечных элемента, что обеспечивает стабильную работу в любых условиях.

Глава 4. Разработка экспериментального образца, резюме и анализ предлагаемой системы в условиях Вьетнама

4.1. Анализ и улучшение производительности

4.1.1. Инструментальная система

Выходная мощность, генерируемая фотоэлектрическим модулем и выходная мощность переменного тока в инверторной системе подключенной к сети, контролировались системой регистрации данных с интервалом выборки 5 минут и через Wi-Fi, передавались на сайт. Ток, потребляемый контроллером и исполнительным механизмом, измерялся с помощью модуля измерения тока acs 712. Выходная мощность системы фотоэлектрических модулей, подключенной к сети, и потребление энергии из сети регистрировался двунаправленным счетчиком энергии, поставляемым электроэнергетической компанией. Система данных о погоде имеет время выборки также 5 минут, включая следующие параметры: солнечную радиацию на единицу площади, температуру воздуха, скорость ветра и некоторые другие погодные параметры. Чтобы получить данные о температуре фотоэлектрического модуля, сигнал ADC датчика положения Солнца и импульсы ШИМ для управления предлагаемой системой, исследуйте и интегрируйте схему защиты регистрации данных (совместимую с Arduino) для контроллера самого Arduino Uno. Кроме того, используется система измерения солнечной радиации для сбора общей освещенности на поверхности фотоэлектрического модуля с периодом дискретизации 20с [108].

4.1.2. Оценка эффективности

Чтобы сравнить эффективность двух фотоэлектрических модулей, нам необходимо измерить энергию, генерируемую фотоэлектрическим модулем, используемым с предлагаемой системой (Epvi), фотоэлектрическим модулем с фиксированным наклоном (Epv2), а также

общую потребляемую мощность системы управления и реализации предлагаемая система (Ез).

Эффективность повышения выходной мощности фотоэлектрического модуля в процентах рассчитывается по следующему уравнению:

г] = 100 (4.1)

Еру 2

Фактическая эффективность повышения выходной мощности предлагаемой системы по сравнению с системой с фиксированным наклоном определяется путем вычитания энергии, потребляемой приводом и системой управления:

■ц *= Е^1-Е^2-Ез 100 (4.2)

Еру 2

4.1.3. Однородность экспериментальных фотоэлектрических модулей

Для измерения выходной мощности фотоэлектрических, проведены исследования. При этом фотоэлектрические модули, использующие предлагаемую систему, обозначены РУ1, остальные 3 фотомодуля, установленные на фиксированных наклонных системах, обозначены РУ2, РУ3, РУ4 соответственно. После периода оценки исследование выбирает 2 фотоэлектрических модуля с наименьшим отклонением выходной мощности в качестве 2 субъектов для дальнейших экспериментов. Таблица 4.1. представляет выходную мощность постоянного тока и отклонение модулей РУ1 и РУ2 за годовой период с 01.2021-12.2021 (когда фотоэлектрические модули установлены с фиксированной системой наклона с углом наклона, равным широте, на которой установлены фотоэлектрические модули) установка). Результаты показывают, что их среднее отклонение выходной мощности составляет 0,4%.

Таблица 4.1. Выходная мощность и отклонение в 2021 году

Месяц EPV1, кВтч EPV2, кВтч Разница, %

01/2021 28,29 28,37 -0,28

02/2021 39,88 39,59 0,73

03/2021 38,63 38,25 0,99

04/2021 44,36 43,73 1,44

05/2021 49,28 49,73 -0,90

06/2021 42,7 42,77 -0,16

07/2021 43,21 43,23 -0,05

08/2021 47,08 45,94 2,48

09/2021 39,76 39,23 1,35

10/2021 24.44 24,69 -1,01

11/2021 21,11 21,33 -1,03

12/2021 14,09 14,23 -0,98

Общий 432,83 431,09 0,40

Рис 4.1. Однородность фотоэлектрического модуля в пасмурный день (14.01.2021). (а) Мощность (б). Разница мощности и энергия

Рис 4.2. Однородность фотоэлектрического модуля в солнечный день (18.08.2021). (а) Мощность (б). Разница мощности и энергия

Время ч (а) Время, ч (Ь)

Рис 4.3. Однородность фотоэлектрического модуля в солнечный и

пасмурный день (22.11.2021). (а) Мощность (б). Разница мощности и

энергия

На рисунках 4.1, 4.2, 4.3 показаны мощность, разница мощности и разница выходной мощности модулей РУ1 и РУ2 за три дня при типичной погоде во Вьетнаме. Очевидно, что разница мощностей модулей РУ1 и РУ2 в эти типовые дни всегда меньше 5 Вт, энергия модулей РУ очень мала, незначительна. Приведенные выше данные позволяют использовать 2 модуля РУ1 и РУ2 для оценки повышения энергоэффективности предлагаемой системы соответствующим образом.

4.1.4. Энергетический анализ

Энергетический анализ включает важные параметры для проверки производительности установленной системы фотоэлектрических модулей,

подключенных к сети: Эталонная доходность (Reference yield); Конечная доходность (Final yield); Коэффициент преобразования энергии (Performance ratio); Коэффициент использования установленной мощности (Capacity utilization factor CUF); и общая эффективность (Annual overall system efficiency).

Для сравнения оценок энергоэффективности фотоэлектрических систем используют коэффициент преобразования энергии (PR performance ratio) [109, 110]. PR выражается в процентах и описывает соотношение между фактической и теоретической выходной мощностью систем фотоэлектрических модулей, подключенных к сети. Таким образом, он показывает фактическое соотношение энергии после вычета потерь. Для расчета PR можно моделировать с помощью программного обеспечения, такого как Pvsyst [111], или использовать эксперименты на фотоэлектрических системах с использованием датчиков солнечного излучения.

Чем выше рейтинг PR системы, тем больше количество солнечной энергии преобразуется в электрическую энергию. С аналитической точки зрения PR можно рассчитать по следующей формуле [112]:

PR =^.100 (4.3)

Yr

где, Yf - Конечная доходность, кВтч/кВт; Yr- Эталонная доходность, кВтч/кВт.

Конечная доходность является годовая, месячная или дневная мощность подключенной к сети фотоэлектрической системы, деленную на максимальную мощность системы, установленной в стандартных условиях испытаний (STC) 1000 Вт/м2 солнечного излученияи температура фотоэлемента 25 °C. Конечная доходность фотоэлектрической системы рассчитывается по формуле:

у _ Eput _ ^ Pput,k-Tk ^ ^

^ Ро ^ Ро

где, Eout - энергия, кВтч; Pout - мощность, кВт; Po - максимальная мощность, кВт; тк - время выборки, ч.

Эталонная доходностьпредставляет собой общую солнечную радиацию в плоскости, Ht (кВтч/м2), разделенную на эталонную освещенность (Gi,ref= 1 кВт/м2); поэтому эталонная урожайность - это количество часов пикового солнечного сияния:

Yr=7r^ = l,<Gf^ (4.5)

ui,ref ui,ref

Где, Gt - суммарная солнечная радиация в плоскости, кВт/м2 Отношение фактической выходной мощности фотоэлектрического модуля к выходной мощности при работе на номинальной мощности в течение определенного периода времени называется коэффициентом использования мощности (CUF: capacity utilization factor) [9]. CUF можно рассчитать по следующей формуле:

CUF = 100% = LkP°ut,k-Tk. Ю0% (4.6)

Po-T PoZk^k V 7

Общая эффективность (AOSE: annual overall system efficiency) рассчитывается по следующей формуле:

AOSE = -^100% = ZkPout,k.Tk . 100% (4.7)

Apv-Ht Apv Lk Gt,k-Tk

В зависимости от мощности потребления электрической нагрузки, электроэнергия, вырабатываемая подключенной к сети системой фотоэлектрических модулей, частично подключается к сети (Egcpv) и частично потребляется нагрузкой (Ejypv). В случае, если мощность нагрузки намного превышает мощность подключенной к сети системой фотоэлектрических модулей, потребляется 100% произведенной электроэнергии. В случае нулевой мощности нагрузки 100% вырабатываемой электроэнергии подключается к национальной сети. Для систем фотоэлектрических модулей, подключенных к сети, годовые потери выходной энергии в основном происходят из-за затухания в

фотоэлектрических модулях, а коэффициент ослабления считается равным 0,6% [113].

4.1.5. Экономический анализ

Экономический анализ является основой для убеждения людей инвестировать в установку системы фотоэлектрических модулей, подключенных к сети. Для оценки рассматриваются такие показатели, как дисконтированный период окупаемости (DPBP: AOSE) и приведенная стоимость электроэнергии (LCOE: Levelized cost of electricity). В данном разделе не учитываются понятия уровня инфляции и темпа роста розничных цен на электроэнергию. Выбранная ставка дисконтирования равна текущей ставке 5,3% [114].

LCOE - это текущая стоимость цены произведенной электроэнергии с учетом экономического срока службы системы, а также затрат на строительство, эксплуатацию и техническое обслуживание. LCOE рассчитывается следующим образом [105, 115]:

,-srrN AnnualCostn

LCOE =-т^+Р— (4.8)

Ln=1(1+dr)n

В котором LCOE, донг/кВтч; Q- первоначальная инвестиционная стоимость, донг; AnnualCostn- годовая стоимость n-го года, донг; Eout, n -мощность переменного тока n-го года, кВтч; dr - ставка дисконтирования, %; N - период оплаты, год.

Годовые затраты за год n включают затраты на эксплуатацию, техническое обслуживание, будущую замену и страхование [113, 115]. Однако, если модульная система PV подключена к исследовательской сети, годовая стоимость системы включает только эксплуатационные расходы, расходы на техническое обслуживание, другие расходы не учитываются. Кроме того, также учитываются годовые потери мощности подключенной к сети фотоэлектрической модульной системы, поэтому

значения LCOE для исследуемой подключенной к сети фотоэлектрической модульной системы рассчитываются по следующей формуле:

г 4-У^ ^о&т

ЬСОЕ =---(4.9)

уИ ЕоШл.{1-Р)П : V /

Ьп=: (г+аг)п

Где, D - коэффициент затухания фотоэлектрической модульной системы, %; Со&т - годовые затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, донгов; Еоии - энергия переменного тока фотоэлектрической системы первого года эксплуатации, кВтч.

ЭРБР - это количество лет, необходимое для возмещения первоначальных инвестиционных затрат проекта. Чем больше DPBP, тем больше инвестиционный риск и рассчитывается следующим образом [19, 116]:

VЭРВР СЕБп _ г /71 1 т

Ьп=1 о+г = С1 (4Ш)

Где, С — первоначальная инвестиционная стоимость, донгов; i -процентная ставка, %; CESn — годовая стоимость периода энергосбережения п.

= Е]=1 СЕ^/ — Со&М = 1Е]=1[ВрУ_СС] + В]_изег] — Со&М (4.11) Где, CESj - ежемесячная стоимость энергосбережения, донг; ВРу_ос г месячная выгода от продажи электроэнергии в сеть, донг; Bj_user -ежемесячная выгода от снижения потребления электроэнергии при использовании системы фотоэлектрических модулей, подключенной к сети, донг; Со&м - годовые затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, донг.

На фотоэлектрические модульные системы, подключенные к сети до 30 декабря 2020 г., распространяется поддерживаемый тариф FiT2 (показан в таблице 4.2) [24, 105]. Соответственно, исследовательская система будет применять тариф FiT2 для системы фотоэлектрических модулей, подключенной к сети крыши, по цене 0,0838 долларов США/кВтч, что эквивалентно 1943 донг/кВтч. Ежемесячная выгода от продажи

93

электроэнергии в сеть подключенных к сети фотоэлектрических модульных систем рассчитывается по следующей формуле:

= ЕССРУ.Р1Т2 (4.12)

Где, FiT2 = 1943 донг/кВтч; Еосру — выработка электроэнергии, подключенной к сети, кВтч.

Таблица 4.2. Прейскурант электроэнергии FiT2

№ Тип технологии фотоэлектрического модуля донг/кВтч Центов США/кВтч

1 Наземный фотоэлектрический проект 1.644 7,09

2 Плавучий фотоэлектрический проект 1.783 7,69

3 Фотоэлектрический проект крыши 1.943 8,38

Таблица 4.3. Прейскурант электроэнергии для повседневной жизни

[117]

№ Потребляемая мощность Стоимость электроэнергии (донгов/кВтч) Цена электроэнергии включает налог на добавленную стоимость (донг/кВтч)

1 0-50 кВтч 1678 1845,8

2 51-100 кВтч 1734 1907,4

3 101-200 кВтч 2014 2215,4

4 201-300 кВтч 2536 2789,6

5 301-400 кВтч 2834 3117,4

6 >401 кВтч 2927 3219,7

Во Вьетнаме цены на электроэнергию для бытовых, коммерческих и

промышленных целей различаются. Это исследование касается только

использования электроэнергии в бытовых целях. Ежемесячный счет за

электроэнергию рассчитывается исходя из потребления электроэнергии и

отпускной цены электроэнергии для бытовых целей согласно таблице 4.3,

подходящей для домохозяйств с 2020 года по настоящее время [24].

94

Предполагая, что каждый месяц домохозяйство, которое устанавливает подключенную к сети фотоэлектрическую модульную систему, по-прежнему должно оплачивать счета за электроэнергию энергетической компании по цене на электроэнергию уровня 6 (таблица 4.3), рассчитывается ежемесячная выгода от снижения потребления электроэнергии:

^¿ изег = Ергру. РтЬсе^ (4.13)

Где, Рпсе6 = 3219,7 донг/кВтч; Ергру - потребляемая мощность, кВтч.

Энергия подключенной к сети фотоэлектрической модульной системы с использованием системы с фиксированным наклоном измеряется практически. Что касается фотоэлектрической модульной системы с использованием предлагаемой системы, поскольку времени реализации недостаточно в годах, цифры будут рассчитываться на основе смоделированного коэффициента повышения энергоэффективности по сравнению с фотоэлектрическим модулем, использующим предлагаемую систему, с использованием системы с фиксированным наклоном.

4.1.6. Экологический анализ

Экологические характеристики подключенной к сети фотоэлектрической модульной системы оцениваются коэффициентом использования С02 - количество углекислого газа, которое можно уменьшить за счет использования солнечной энергии, рассчитывается следующим образом [14, 105]:

( С02)а = °'7221-Еоп^уеаг (4.14)

4 2 1000 4 7

Где, Ео^уеат - годовая выработка мощности, кВтч; 0,7221 - коэффициент снижения выбросов углерода для Вьетнама, тС02/МВтч [119].

4.2. Оценка системы моделирования

На основе построенной математической модели и данных о погоде на 2021 год, представленных на рис 4.4. В исследовании сравнивались характеристики фотоэлектрических модулей с использованием 5

различных систем за год (2021 г.): система с фиксированным наклоном и углом наклона, равным широте (фиксированная система); система стационарного наклона с системой охлаждения с включенным/выключенным управлением (система охлаждения); одноосная система слежения за солнцем с включенным/выключенным управлением (система слежения); одноосная система слежения за солнцем комбинированная система охлаждения с включенным/выключенным управлением (гибридная система); одноосная система слежения за солнцем комбинированная система охлаждения с использованием системы управления с нечеткой логикой (предлагаемая система). Выходная мощность, полученная в результате иммитационного моделирования с учетом реальных данных по месяцам 2021 года представлена на рис 4.5. Результаты моделирования энергосистемы при использовании предлагаемой многопараметрической системы управления по сравнению с другими системами приведены в таблице 4.4. Результаты моделирования показывают, что за один год для фотоэлектрических модулей, использующих предлагаемую систему, увеличили эффективность на 17,33%, 15,32% и 2,39% соответственно по сравнению с фотоэлектрическими модулями, использующими фиксированную систему наклона, систему охлаждения и систему слежения за солнцем.

Рис 4.4. Иррадиация и средние температуры в 2021 году

ЕГ Н

Н О О К

3 о

65 60 55 50 45 40

ц 35

СЗ

X

Э 30

й л

т

25 20 15

6 7 Месяц

фиксированная сис. сис. слежения сис. охлаждения гибридная сис. предлагаемая сис.

10 11

12

Рис 4.5. Результаты моделирования выходной мощности по месяцам 2021 года для систем различного типа Таблица 4.4. Изменение эффективности энергосистемы с использованием многопараметрической системы управления

1

2

3

4

5

8

9

Эффективность, гибридная система система фиксированная

% система охлаждения слежения система

Жаркий сухой 0,09 16,80 2,65 19,12

сезон

Влажный сезон 0,15 11,68 1,71 12,94

дождей

Целый год 0,11 15,32 2,39 17,33

4.3. Экспериментальная оценка системы слежения за солнцем с использованием нечеткой логики управления

Исследование проводилось с 1 июля 2023 по 18 июля 2023. Экспериментальные результаты улучшения производительности представлены в Таблице 4.5. Чистое повышение эффективности фотоэлектрического модуля с использованием системы слежения за солнцем с использованием управления нечеткой логикой достигло 21,37% по сравнению с системой с фиксированным наклоном.

Таблица 4.5. Эффективность выходной мощности фотоэлектрического модуля при использовании системы слежения за солнцем

День Бруь^Ъ Еру2,^Ъ Бэ, т П (%) П* (%)

01/07/2023 2094,6 1568,8 29,96 33,52 31,61

02/07/2023 1917,2 1608,3 28,82 19,21 17,41

03/07/2023 1326,9 1192,8 28,67 11,24 8,84

04/07/2023 1297 1136,7 27,83 14,1 11,65

05/07/2023 2224,4 1738,6 34,36 27,94 25,97

06/07/2023 2170,2 1699,2 34,75 27,72 25,67

07/07/2023 2371,1 1742,2 32,69 36,1 34,22

08/07/2023 2267,7 1720,2 29,99 31,83 30,08

09/07/2023 1617,1 1395,7 28,54 15,86 13,82

10/07/2023 2242,1 1758,6 28,73 27,49 25,86

11/07/2023 2017 1659,3 31,3 21,56 19,67

12/07/2023 1774,8 1481,7 27,81 19,78 17,9

13/07/2023 2283,9 1699,4 28,63 34,39 32,71

14/07/2023 2024,6 1620,8 27,65 24,91 23,21

15/07/2023 2092,2 1650,5 29,07 26,76 25

16/07/2023 1472 1289,9 27,97 14,12 11,95

17/07/2023 911,4 864,9 28,82 5,38 2,04

18/07/2023 1339,3 1284,3 28,55 4,28 2,06

Общий 33443,5 27111,9 534,14 23,35 21,38

В исследовании выбираются типичные дни для анализа работы и эффективности фотоэлектрических модулей с использованием системы слежения за солнцем, основанной на управлении нечеткой логикой и системе фиксированного наклона.

4.3.1. Солнечный день с небольшими облаками

Для анализа был выбран типичный солнечный пасмурный день (7 июля 2023 г.). На рис 4.6а показаны мощность и энергия контроллера и исполнительного механизма. Система работает в основном с 9:00 до 15:00, энергопотребление около 32,69 Втч. На рис 4.6б показана средняя температура фотоэлектрического модуля, максимальная температура фотоэлектрического модуля достигает 61,75°С около 10 часов утра.

Рис 4.6. Солнечный день с небольшим количеством облаков (07.07.2023 г.) а) Мощность и энергия контроллера и привода; б) Средняя температура

фотоэлектрического модуля на рис 4.7 показаны ADC восточного и западного солнечных датчиков, а также импульсы ШИМ, управляющие системой слежения за солнцем с использованием управления нечеткой логикой в солнечный день. Мы видим, что утром ADC восточного датчика солнечной энергии больше, чем ADC западного датчика солнечной энергии, поэтому импульс ШИМ будет отрицательным, так что фотомодуль поворачивается на восток. После достижения предела вращения из-за датчика положения внутри линейного привода система останавливается, однако контроллер продолжает генерировать импульсы ШИМ. Примерно к 9 часам утра ADC западного датчика солнечной энергии станет больше, чем ADC восточного датчика солнечной энергии, контроллер генерирует положительный импульс

ШИМ, заставляет линейный привод растягиваться, а фотоэлектрический модуль постепенно вращается по горизонтали. Процесс продолжается таким образом до тех пор, пока не будет достигнут максимальный предел вращения, после чего линейный привод имеет наибольшую длину, из-за датчика положения внутри него система останавливается примерно через 15 часов. В период с 9:00 до 15:00 западный и восточный ADC солнечного датчика всегда равны. Через 15 часов ADC западного датчика солнца становится больше, чем ADC восточного датчика солнца.

Рис 4.7. ADC и ШИМ управляют системой слежения за солнцем с использованием нечеткой логики (07.07.2023)

Рис 4.8. а) Мощность ; б) Разница в мощности и выходной мощности.

(07.07.2023) 100

На рис 4.8 показаны мощность, разница в мощности и выходная

мощность двух фотоэлектрических модулей с использованием системы

слежения за солнцем на основе управления с нечеткой логикой и системы

фиксированного наклона. Чистая повышенная эффективность

фотоэлектрического модуля с использованием системы слежения за

солнцем с использованием управления нечеткой логикой достигла 34,22%

по сравнению с фотомодулем с системой фиксированного наклона.

4.3.2. День солнечный, небольшая облачность, дождь

Анализ солнечного дня с небольшими облаками и дождём во второй

половине дня, выбираем 9 июля 2023 года. На рис 4.9а показаны мощность

и энергия, используемые контроллером и приводом, который начинает

работать с 5:00 до 18:00. На рис 4.9 б показана температура

фотоэлектрического модуля, максимум достигает 58,4°С примерно в 11

часов утра, температура примерно в 15 часов сильно снижается до 32°С

под воздействием дождя, затем температура снова повышается.

На рис 4.10 показаны ADC и ШИМ системы слежения за солнцем,

основанной на управлении нечеткой логикой. Утром в верхней части

система работает аналогично солнечному дню. Однако во второй половине

дня под воздействием дождя и облачности импульсы ШИМ

контролируются как положительные, так и отрицательные, система

вращается на восток и запад, чтобы гарантировать, что сигнал ADC

восточного и западного солнечного датчика равен.

На рис 4.11 показаны мощность, разница мощности и выходная

мощность двух фотоэлектрических модулей с использованием системы

слежения за солнцем на основе управления с нечеткой логикой и системы

фиксированного наклона. Под воздействием системы слежения за солнцем

разница в мощности концентрируется утром, а во второй половине дня

разница в радиации невелика, что делает разницу в мощности менее

значительной. Чистая повышенная эффективность фотоэлектрических

модулей, использующих систему слежения за солнцем на основе

101

управления нечеткой логикой, достигла 13,82% по сравнению с фотоэлектрическими модулями, использующими систему фиксированного наклона (таблица 4.5).

Рис 4.9. Солнечный день с небольшими облаками и дождем (09.07.2023) а) Мощность и энергия контроллера и привода; б) Средняя температура

фотоэлектрического модуля

Рис 4.10. ADC и ШИМ управляют системой слежения за солнцем с использованием нечеткой логики (09.07.2023)

Рис 4.11 а) Мощность ; б) Разница в мощности и выходной мощности(09.07.2023)

4.3.3. Пасмурный день, дождь

В исследовании выбрано 17 июля 2023 года в качестве пасмурного дня с дождем. Максимальная температура фотоэлектрического модуля составляет около 38,5 °C за 14 часов (Рис 4.12b). Система нечеткой логики управления мощностью работает с 6:00 до 18:00 (Рис 4.12а).

ADC восточного и западного солнечного датчика почти не имеет большой разницы, как в двух вышеописанных случаях, ШИМ постоянно меняется, а это означает, что фотоэлектрический модуль постоянно настраивается (Рис 4.13). Разница в мощности в течение дня почти незначительна (Рис 4.14b), поэтому чистое повышение эффективности фотоэлектрического модуля, использующего систему слежения за солнцем с использованием управления нечеткой логикой, составляет всего 2,04% по сравнению с аналогичным показателем фотоэлектрического модуля, использующего фотоэлектрический модуль, использующий фиксированную систему наклона ( Таблица 4.5).

Рис 4.12. Пасмурный день с дождём (17.07.2023) а) Мощность и энергия контроллера и привода; б) Средняя температура фотоэлектрического

модуля

Рис 4.13.ЛОС и ШИМ управляют системой слежения за солнцем с использованием нечеткой логики (17.07.2023)

160 140 120 100

80 60 40 20 0

Г! 1

Р}. 1

50 45 н 40

СО

Я 35 н

0 30 я

1 25

л 20 —

к

К 15