ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СОЛНЕЧНАЯ СТАНЦИЯ С СИСТЕМОЙ МОНИТОРИНГА

Джумаев А.Я.

ORCID: 0000-0002-2297-1989, Кандидат физико-математических наук, Государственный энергетический институт Туркменистана

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СОЛНЕЧНАЯ СТАНЦИЯ С СИСТЕМОЙ МОНИТОРИНГА

                                                                                                        Аннотация

В работе предлагается фотоэлектрической солнечной станция с системой мониторинга для автономного энергоснабжения. Рассматривается возможные подходы к создания энергетических аналитических систем по возобновляемым источникам энергии. Рассмотрены варианты энергоснабжения населения за счет фотоэлектрических солнечных станций на примере экспериментального дома с автономным энергоснабжением.

Ключевые слова: солнечная радиация, оптимальная ориентация, фотоэлектрическая солнечная станция, выработка электроэнергия, мониторинг работы станции,  автономное энергоснабжение.

Jumayev A.Y.

ORCID : 0000-0002-2297-1989, PhD in Physics and Mathematics, State Energy Institute of Turkmenistan

PHOTO-ELECTRIC SOLAR STATION WITH MONITORING SYSTEM

 Abstract

In work the photo-electric solar station with monitoring system for independent power supply is offered. It is considered possible approaches to creation of power analytical systems on renewable energy sources. Variants of power supply of the population at the expense of photo-electric solar stations on an example of the experimental house with independent power supply are considered.

Keywords: solar radiation, optimum orientation of solar panels, photoelectric solar station, generation of electric energy, monitoring performance of solar station, independent power supply.

Введение В последние годы в мировой практике фотоэлектрические солнечные станции получили достаточно широкое распространение и в некоторых европейских странах достигнуты за последние 5-10 лет очень высокие результаты, согласно принятых новых законодательных документов на государственном уровне к концу 2020 года предполагается достижения 20% доли возобновляемой энергии в общем энергетическом балансе. При этом, в последние годы внедрение экологических чистых технологий способствует широкому развитию автономного энергообеспечения, использующего возобновляемые источники энергии [3]. Ресурсы солнечной энергетики Туркменистана огромные, т.е годовой приход суммарной солнечной радиации на всю площадь Туркменистана составляет 3157•10¹² МДж  или же 877,646•10¹²   кВт•ч [4].

Метод исследования и схема установки

Наши исследования проводились на жилом доме с фотоэлектрической солнечной станцией на 2 кВт, построенной в Государственном энергетическом институте Туркменистана (Рис.1.), подробное описание которой приводится в работе[6].

Жилой дом расположен в г. Мары. Предполагаемые месяцы использования круглый год, автономный режим, время использования ежедневно и круглосуточно, место установки солнечных панелей  на крыше дома с  наклоном 36⁰, ориентированный на юг. Жилой дом состоит из двух этажей. На первом этаже размешены аккумуляторы и оборудование резервного энергоснабжения. Второй этаж состоит из двух комнат, веранды и уголка для сан-техники. На веранде также размещены система мониторинга. На рисунке 2 показана схема подключения системы мониторинга. В систему мониторинга входить: солнечные модули(1), аккумуляторы (10), контроллер (2), компьютер(4), инвертор (5), оборудование резервного энергоснабжения (3), потребители электрической энергии (11,12,13) и электронные счетчики (6,7,8,9). Электронный счетчик (6) производить учет электроэнергии потребляемая для освещения. Для освещения жилого дома использованы LED лампы и энергосберегающие лампы. На первом этаже подключены 2 энергосберегающие лампы с мощностью 125 Вт и на втором этаже подключены 8 LED лампы с мощностью 24 Вт.  В комнатах расположены печь для нагрева, телевизор, компьютер, холодильник. Учет энергопотребления производиться электронным счетчиком (7). В зимнее время в случае нехватки  электроэнергии может использоваться оборудование резервного энергоснабжения и учет энергии получамая от резервного энергоснабжения производиться  электронным счетчиком (8). В летнее время, когда солнечная радиации достигает максимального значения может появиться излижки электроэнергии, которая может потребляться внешними потребителями. Учет электроэнергии подаваемая внешним потребителям производиться  электронным счетчиком (9). Ниже в таблице  приведены примерное энергопотребления и мощности электробытовых приборов установленных в жилом доме.

Таблица 1 - энергопотребления и мощности электробытовых приборов

Оборудование	Мощность,Вт	Кол	Время работы в теч. сутки,ч	Потребляемая энергия в теч. сутки, Вт• ч
Кофеварка	800	1	0,2	160
Холодильник	300	1	0,25•24 ч=6 ч	1800
Телевизор	250	1	4	1000
LED лампы	24	8	8•4 ч=32 ч	768
Энергосберагающие лампы	125	2	2•0,5ч=1ч	125
Насос	1000	1	0,5	500
Система спутникового телевидения	30	1	4	120
Компьютер	500	1	2	1000
Микровольновая печь	1000	1	0,5	500
Итого	4029			5973

 

Энергетические расчеты и система мониторинга

Выработанная фотоэлектрической станцией за день энергия оценивалась по формуле:

E_{прз I}(кВт•ч) = [η_inv(%)∙ η_pv(%) ∙ η_cont (%)∙ S_n(м²)∙N_n∙E_i (кВт•ч/м²)]/10⁶   (1)

где E_прзI - выработанная или произведенная фотоэлектрической станцией за сутки расчетная средняя энергия; E_i - усредненное для каждого месяца суточное удельное значение падающей солнечной радиации; η_pv - КПД солнечной панели; η_cont - КПД контроллера; η_inv - КПД инвертора напряжения; N_n – количество солнечных панелей в составе фотоэлектрической станции; S_n - площадь одной солнечной панели.

При расчетах использовались данные усредненного для каждого месяца суточное удельное значение падающей солнечной радиации из БД NASA SSE [5]. Так, как в БД NASA SSE даны суточные суммы падающей солнечной радиации, усреднение которой ведется за месяц  следовательно для сравнения результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований целесообразно сравнивать месячные суммы солнечной радиации и выработанной энергии по формуле:

E_прз.м(кВт•ч) =  E_{прз I} (кВт•ч/м²) ∙(N_д - N_бсд)    (2)

где E_прзм - выработанная или произведенная фотоэлектрической станцией за месяц расчетная средняя энергия; N_д – количество дней в месяце; N_бсд – количество бессолнечных дней в месяце, усредненное по месяцу. Полученное значение имеет смысл сравнивать с суммарной энергией, реально выработанной фотоэлектрической станцией за месяц:

E_р.прз.м(кВт•ч) = Σ E_{прз I}(кВт•ч)    (3)

Здесь суммирование ведется по всем суткам месяца.

Измерение проводились в последовательно соединенных 4 фотоэлектрических панелях при различных нагрузках.   На рисунке 4 показаны дневная выработка электрической энергии фотоэлектрической солнечной станцией в течении месяца в различные времена года. Полученные данные показали, что сезонные изменения погоды при солнечной погоде сильно не влияет на энергетические параметры фотоэлектрической станции, хотя температура панелей в летнее время нагреваются до температуры 70⁰ C и выше. Изменение энергетических параметров в течении года составляет порядка 20-25% [2,7].

Результаты показали, что производимая энергия фотоэлектрической солнечной станцией сильно зависит от климатических условий, т.е.  выработка энергии в течении дня составляет соответственно при облачной погоде -  1,895 кВт•ч, при пыльной погоде -  1,289 кВт•ч, при переменной облачной погоде - 2,397 кВт•ч, при состоянии полной зарядки аккумулятора - 1,368 кВт•ч, при солнечной погоде в зимнее время - 2,351 кВт•ч, при солнечной погоде в летнее время - 2,838 кВт•ч [6].

Рис.1 - Блок схема жилого дома с автономным энергоснабжением

Нами предлагается система мониторинга на базе контроллера LB01. Интерфейс контроллера LB01 показан на рисунке 3.  Контроллер LB01 является многофункциональным и позволяет автоматически провести мониторинг работы солнечной станции.

     Рис.2 - Схема подключения системы мониторинга

Рис. 3 - Интерфейс контроллера

 

В ходе исследований был проведен предварительный расчет выработки энергии фотоэлектрической станцией, а также в ходе испытаний – сравнение с экспериментальными данными полученные в различные времена года (рис.5). Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало хорошую точность прогнозов в летний полугодие с высоким уровнем солнечной радиации и снижение точности в зимний полугодие.

Мониторинг работы фотоэлектрической станции позволяет получать информацию о рабочих параметрах установки и уровне инсоляции в течении заданных периодов, накапливать, систематизировать и обрабатывать полученную информацию. В результате можно создать климатические базы данных и разработать методы проектирования солнечных станций, а также позволяет перейти от расчетно-аналитических данных к экспериментальным исследованиям. Проведенный сравнительный анализ показал, что прогноз для различных сезонов имеет достаточную точность и выявил ряд особенностей работы фотоэлектрической солнечной станции в климатических условиях Туркменистана.

 

Рис. 4 - Дневная выработка электрической энергии  фотоэлектрической солнечной станцией в течении месяца в различные времена года

Рис.5 - Сранение расчетного значения и дневной выработки электрической энергии  фотоэлектрической солнечной станцией усредненого для каждого месяца в течении года

  Выводы

- Полученные данные свидетельствуют о возможности использования международных баз данных NASA для расчетов солнечной радиации в рассматриваемом районе.

- Оптимальный угол наклона солнечных панелей к горизонту для г. Мары в летний период составляет 17⁰, а для зимнего периода – 61⁰.

- При фиксированном угле наклона поверхности солнечной панели оптимальным углом является 36⁰.

- В течении года с одного квадратного метра   солнечной панели можно получить   326 кВт•ч электроэнергии при фиксированном положении солнечной панели.

- На базе контроллера  LB01 создана система мониторинга для автономного  энергоснабжения.

- Система мониторинга для автономного энергоснабжения позволяет провести мониторинг выработки и расхода электроэнергии в автономном доме.

- Результаты исследования и полученные данные могут быть использованы для технико-экономической обосновании эффективности использования солнечной энергии и разработки дорожной карты развития солнечной энергетики в Туркменистане, в частности для определения места для построения фотоэлектрической солнечной станции большой мощности, составления бизнес-модели для этой станции.

Литература

1. Джумаев А.Я., Кадыров Э.Д. Исследование эксплуатационных параметров фотоэлектрической солнечной станции в условиях Туркменистана // Автоматизация в промышленности. 2015. №11.С. 20-22.
2. Джумаев А.Я., Сарыев К.А. Анализ влияния температуры на энергетические параметры фотоэлектрической солнечной станции. // “European Conferece on Innovations in Technical and Natural Sciences“. Proceeding of the 7th International scientific conferece. (25th May 2015.). „East West“ Association for Advanced Studies on Higher Education. GmbH. Vienna.2015, - p 82-88.
3. Стребков Д.С., Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б.Д. Развитие солнечной энергетики в Туркменистане. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012.  496 с.
4. Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б.Д. Основные условия и факторы развития фотоэнергетики в Туркменистане// International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. 2007. №7(51), p62-66.
5. [Электронный ресурс] – Режим доступа. URL: http://wrdc.mgo.rssi.ru/, http://eosweb.lars.nasa.gov/sse/.
6. Jumayev A.Y. Scientific-technical and methodological aspects of an estimation of resources of solar energy in Turkmenistan. International Conference on European Science and Technology: materials of the XI international research and practice conference. Munich, Germany October 21-22th, 2015.P. 80-92.
7. Jumayev A., Sariyev K. Research of the optimum operating mode of photo- electric solar station under the conditions of Turkmenistan. The 9 th International Conference on Electrical and Control Technologies, May 8-9,2014, Kaunas, Lithuania. Proceedings of the 9^th International Conference on Electrical and Control Technologies ECT-2014, P.154-156.

References

1. Dzhumaev A.Ja., Kadyrov Je.D. Issledovanie jekspluatacionnyh parametrov fotojelektricheskoj solnechnoj stancii v uslovijah Turkmenistana // Avtomatizacija v promyshlennosti. 2015. №11.S. 20-22.
2. Dzhumaev A.Ja., Saryev K.A. Analiz vlijanija temperatury na jenergeticheskie parametry fotojelektricheskoj solnechnoj stancii. // “European Conferece on Innovations in Technical and Natural Sciences“. Proceeding of the 7th International scientific conferece. (25th May 2015.). „East West“ Association for Advanced Studies on Higher Education. GmbH. Vienna.2015, - p 82-88.
3. Strebkov D.S., Pendzhiev A.M., Mamedsahatov B.D. Razvitie solnechnoj jenergetiki v Turkmenistane. M.: GNU VIJeSH, 2012.  496 s.
4. Pendzhiev A.M., Mamedsahatov B.D. Osnovnye uslovija i faktory razvitija fotojenergetiki v Turkmenistane// International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. 2007. №7(51), p62-66.
5. [Jelektronnyj resurs] – Rezhim dostupa. URL: http://wrdc.mgo.rssi.ru/, http://eosweb.lars.nasa.gov/sse/.
6. Jumayev A.Y. Scientific-technical and methodological aspects of an estimation of resources of solar energy in Turkmenistan. International Conference on European Science and Technology: materials of the XI international research and practice conference. Munich, Germany October 21-22th, 2015.P. 80-92.
7. Jumayev A., Sariyev K. Research of the optimum operating mode of photo- electric solar station under the conditions of Turkmenistan. The 9 th International Conference on Electrical and Control Technologies, May 8-9,2014, Kaunas, Lithuania. Proceedings of the 9^th International Conference on Electrical and Control Technologies ECT-2014, P.154-156.