ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕЛИОТРОПИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ ДЛЯ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Жильцов С.А.¹, Карпушин А.А.², Власюк С.Н.³

¹ORCID: 0000-0003-3206-5194, Ассистент департамента инженерного бизнеса и менеджмента инженерной академии, Российский университет дружбы народов, ²ORCID: 0000-0002-3723-3292, Магистрант департамента инженерного бизнеса и менеджмента инженерной академии, Российский университет дружбы народов, ³ORCID: 0000-0002-5528-3920, Магистрант департамента инженерного бизнеса и менеджмента инженерной академии, Российский университет дружбы народов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕЛИОТРОПИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ ДЛЯ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Аннотация

Все больше и больше отдельных регионов вкладывают средства в возобновляемую энергетику. Объективно существует угроза изменения климата за счет использования горючего топлива. Это означает, что все больше и больше стран будут переходить на экологически безопасную и возобновляемую энергетику – солнечную, ветровую и приливную.

Цель данной работы – представить использование гелиотропических солнечных панелей для автономного электроснабжения потребителей, выполнить анализ рынка солнечных панелей используемых в качестве автономного источника питания для уличного освещения и станций зарядки устройств в условиях больших отклонений углов на диаграмме солнечного пути для регионов, удаленных от экватора.

Гелиотропические установки – это эффективный способ управления солнечной панелью за счет корректировки ее положения относительно солнца. Это особенно актуально для регионов, удаленных от экватора. В данной работе кратко представлен финансовый прогноз рынка солнечной энергетики, предложена конструкция солнечной установки гелиотропического типа и приведено ее сравнение с классической стационарной установкой.

Ключевые слова: возобновляемая энергетика, солнечная энергетика, гелиотропические солнечные установки.

Zhyltsov S.A.¹, Karpushyn A.A.², Vlasiuk S.N.³

¹ORCID: 0000-0003-3206-5194, Assistant of the Department of Engineering Business and Management of the Engineering Academy,Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN), ²ORCID: 0000-0002-3723-3292, Graduate Student of Business Administration and Management Engineering Academy, Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN), ³ORCID: 0000-0002-5528-3920, Graduate Student of Business Administration and Management Engineering Academy, Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN)

USING HELIOTROPIC SOLAR PANELS FOR AUTONOMOUS POWER SUPPLY OF CONSUMERS

Abstract

More and more individual regions are investing in renewable energy. There is an objective threat of climate change due to the use of combustible fuel. This means that more and more countries will switch to ecologically safe and renewable energy – solar, wind and tidal.

The purpose of this work is to discuss the use of heliotropic solar panels for autonomous power supply to consumers, to analyze the market of solar panels used as a stand-alone power source for street lighting and charging stations under the conditions of large angles deviations in the solar path diagram for regions remote from the equator.

Heliotropic installations are an effective way to control solar panels by adjusting its position relative to the sun. This is especially true for regions remote from the equator. The following paper contains financial forecast for the solar energy market and the design of a solar installation of the heliotropic type. The comparison with a classical stationary installation is provided.

Keywords: renewable energy, solar energy, heliotropic solar installations.

Большое количество отдельных регионов вкладывают средства в возобновляемую энергетику. Так, Саудовская Аравия объявила тендеры на строительство крупных объектов солнечной и ветряной энергетики на общую сумму 50 млрд.долларов.

Объективно существует угроза изменения климата за счет использования горючего топлива. Это означает, что все больше и больше стран будут переходить на экологически безопасную и возобновляемую энергетику – солнечную, ветровую и приливную.

С переходом в третью промышленную революцию, ячейкой производства труда станет домашнее хозяйство. Мы все чаще слышим о появлении распределенных сетей – Smart Grid, в которых каждый потребитель энергии может стать его производителем.

Целью данной работы  – выполнить анализ рынка солнечной панели, которую можно использовать в качестве автономного источника питания для уличного освещения и станций зарядки устройств в условиях больших отклонений углов на диаграмме солнечного пути для регионов, удаленных от экватора.

2015 год стал рекордным по приросту мощностей в фотоэлектрической и ветряной энергетике мира – более 50 и 60 ГВт за год, соответственно [1]. За период с 2005 г. по 2015 г. установленная мощность ветровых электростанций увеличилась в 9 раз, фотоэлектрических – в 64 раза. Прирост инвестиций за последний год составил более $329 млрд., где более половины ($161 млрд.) направлен на солнечную энергетику. Для сравнения, в отрасль по добыче углеводородов было инвестировано $130 млрд.

Министерство возобновляемой энергетики Индии к 2021 году планирует создание 10 солнечные плантаций площадью 10 тысяч гектар каждая с производительностью 4 кВт*ч на метр квадратный. Цель проекта – достигнуть выработки 1 ГВт электрической энергии к 2022 году. На основании этого можно сделать вывод, что Индия, таким образом, открывает новый инвестиционный коридор для ВИЭ, что позволит увеличить приток капитала и обеспечить создание сотни тысяч рабочих мест. Прогнозируемая установленная мощность всех мировых солнечных электростанций к 2020 году будет составлять порядка 700 ГВт, из которых на лидера, Китай, придется – 150 ГВт. Такие прогнозы связаны с бурным ростом и интеграцией возобновляемых источников в домашнее хозяйство и предметы быта. Драйвером, для развития портативных ВИЭ, являются инвестиции в Internet of Things, wearable, smart clothes – это портативные панели, интегрированные в общую систему дома, смартфоны и ткань одежды.

Наблюдается закономерность, что каждое удвоение установленной мощности фотовольтаических элементов приводит к снижению их стоимости на 26%. По прогнозам Международного агентства возобновляемой энергетики (IRENA) [2, С. 132], стоимость модулей может упасть до диапазона $0.3-0.4/Ватт к 2025 году, а цена на электроэнергию будут составлять 3 цента за кВт*ч.

Для отдельных регионов России (богатых солнечными ресурсами), по прогнозу IRENA, было подсчитано, что капитальные затраты на строительство объектов солнечной генерации составят до 50000 руб/кВт (средний размер удельных капитальных затрат к 2025 году) при коэффициенте использования установленной мощности 18% и процентной ставки 15% годовых смогут обеспечить стоимость электроэнергии за 1 кВт*ч на уровне 2.6 рубля. При смягчении условий кредитования и уменьшения ставки до 10%, стоимость будет равна 2 рублям. Однако в некоторых регионах России, достаточно удаленных от экватора, мало солнечной энергии, а также бывает полярная ночь. Поэтому наиболее эффективно использовать солнечную энергию в южных районах России.

Применение ВИЭ целесообразно для домашних хозяйств. Это подкрепляется тем фактом, что традиционные энергостанции являются одной из главных причин глобального потепления [3]. Установка портативных фотовольтаических модулей, как основных энергетических элементов автономного дома, позволит превратить любой дом из потребителя, в поставщика энергии. Однако необходим проект, который будет направлен на оптимизацию расхода энергии от солнечных панелей. Если рассматривать квартиру, как модель домашнего хозяйства в рамках плотной застройки с минимально-доступным свободным пространством для установки фотовольтаических элементов, то можно предложить проект «Гелиотропической солнечной установки» (ГУ).

Гелиотропизм – это способность растений поворачиваться вслед за солнцем, также известное как «Солнечный трекер». Подобное свойство растений позволяет максимизировать эффективность фотосинтеза.

Преобразование солнечной энергии в электрическую происходит за счет солнечной радиации, падающей на фотовольтаическую ячейку (полупроводник). Ячейка, содержащая полупроводники n и p типа, получившая энергию, создает пару носителей заряда, которые образуют p-n переход и как следствие – падение напряжения на его концах.

Масштабируемость ГУ позволяет устанавливать их на лоджиях, балконах, крышах, в парках. Такие установки могут быть источником энергии для уличного освещения и ламп внутри помещений, а также использоваться как станции зарядки портативных устройств. Преимущества данной системы: меньшие требования к площади установки и эффективная генерация энергии за счет системы слежения за солнцем. Недостаток – более высокая стоимость за счет рамной конструкции и дополнительного обслуживания.

Современные солнечные панели можно разделить на два типа по материалам: органические (обычно PEDOT панели) и не органические (на основе кремния). Преимущество органических солнечных панелей: меньшая температура изготовления, гибкие свойства материалов (могут устанавливаться на изогнутые поверхности) [4]. К сожалению, технология производства ещё не оптимизирована, и стоимость панелей на основе органических материалов остается высокой [5, С. 446]. В данной работе будут рассмотрены кремниевые панели, но, в будущем, подразумевается использование органических материалов.

В качестве солнечного элемента использовался модуль от компании Jinshan Peroleum Company с рабочим напряжением 0.5 В и рабочим током 80 мА. Данный фотовольтаический элемент используется в качестве экспериментального, для оценки функционирования установки на территории России.

В работе рассмотрена экспериментальная ГУ, стационарная без автоматической коррекции положения и модель усовершенствованной ГУ с автоматической коррекцией положения относительно солнца. Коррекция положения происходит за счет изменения угла по 2 осям. Экспериментальная ГУ содержит 4 подложки, на которых установлены 9 солнечных элементов, каждый из которых генерирует напряжение 0.4 - 0.6 В, как показано на рисунке 1. Все элементы подключены последовательно.

Рис. 1 – Гелиотропическая солнечная панель, стационарная

 

На рисунке 2 представлена типичная диаграмма солнечного пути над экватором [8]. Для таких зон достаточно изменять угол наклона панели в незначительном диапазоне, что не подходит для регионов России, т.е. такая установка будет работать неэффективно из-за изменения положение солнца относительно экватора на 70^о в большинстве регионов РФ (для прим. взят город Москва) (рис. 3). Недостатком экспериментальной ГУ является её стационарность, т.е. отсутствия автоматического изменения положения наклона панели относительно солнца.

Рис. 2 –  Диаграмма солнечного пути над экватором в течение дня

Рис. 3 –  Диаграмма солнечного пути над Москвой

 

С перспективой использования PEDOT солнечных элементов, которые позволяют использовать в качестве подложки фигуры нелинейной плоскости, а также для повышения эффективности используемого пространства, в данной работе предложена конструкция усовершенствованной ГУ на лепестковой подложке с автоматической коррекцией положения для регионов, отдаленных от экватора (рис.4).

Рис. 4 – Принципиальная схема ГУ на лепестковой подложке

 

Особенностью данной схемы является то, что каждый «лепесток» конструкции самостоятелен и может изменять свое положения относительно центрального держателя. Это позволяет производить самоочистку панели (например, автоматическую отчистку от пыли, или снега), за счет увеличения угла наклона подложки. Функциональная схема ГУ на лепестковой подложке представлена на рисунке 5.

Рис. 5 – Функциональная схема ГУ

 

В роли вычислительной платформы для блока управления была выбрана плата Arduino Uno. Плата обладает необходимым количеством аналоговых и цифровых входов-выходов, которые необходимы для управления системой, а также необходимой тактовой частотой для выполнения алгоритма работы ГУ согласно требованиям [7]. Блок АКБ необходим для обеспечения электроэнергией установки в случае минимального, по освещённости, светового дня, а также для питания поворотных механизмов и двигателей.

Система управления работает следующим образом (рис.6): центровой держатель ГУ оборудован датчиком освещенности, включенным в мостовую схему Уилсона. В зависимости от интенсивности освещения, датчики меняют свое сопротивление. Данные, полученные с датчика, усиливаются операционным усилителем и подаются на аналоговый вход Arduino UNO. По разработанному алгоритму происходит корректировка положения солнечной панели относительно положения солнца. Автоматическая корректировка происходит раз в 30 минут. Такой интервал выбран исходя из соображения экономии батареи и масштабируется в зависимости от солнечной диаграммы местности.

Рис. 6 – Схема работы солнечной панели «Гелиотропическая панель» на лепестковой подложке

 

Кроме корректировки положения в зависимости от изменения интенсивности освещения, система управления имеет в своем составе блок контроля тока (КТ). Функция данного блока – проверка величины выходного тока для определения загрязненности панели. Величина тока сравнивается с эталонной для данного уровня освещенности. Если величина тока отличается от эталонной более чем на 30%, то инициализируется механизм очистки поверхностей: изменение угла панелей с последующей обдувкой (опционально).

Были получены выходные характеристики для экспериментальной ГУ по двум сценариям: с неизменным положением и с изменением положения панелей через определенный интервал времени. Результаты представлены на рисунке 7.

Рис. 7 – Результаты работы ГП в случае стационарного расположения и периодической коррекцией положения относительно солнца (голубая линия – стационарная, оранжевая – с коррекцией)

 

Можно заметить, что при грубой коррекции с периодом 30 минут, выходное напряжение ГП с коррекцией положения выше на ~6.3%, относительно стационарной панели. Ожидается, что интеграция автоматического модуля корректировки позволит увеличить значения этого показателя до 10-15%.

На сегодняшний день управляемые солнечные батареи нашли широкое применение и апробацию, немецкий концерн "Гильдемайстер АГ" (Gildemeister AG) успешно внедрил на площадке станкостроительного завода в Ульяновске солнечные батареи, управляемые с помощью компьютера.

Таким образом, в работе представлен анализ рынка возобновляемых источников энергии, а именно солнечной энергетики: финансовые и инвестиционные прогнозы в разных регионах, в том числе и РФ.

Было представлено техническое решение для малой солнечной энергетики – «Гелиотропическая панель» стационарная и теоретическая модель «Гелиотропической панели» лепесткового типа с автоматической корректировкой для регионов, удаленных от экватора.

Был поставлен эксперимент по двум сценариям с «Гелиотропической панелью»: измерялась величина выходного напряжения со стационарной панели, чье положение не менялось со временем, и выходного напряжения с установки, чье положение изменялось каждые 30 минут. Преимущество грубой коррекции положения составило 6.3%.

Был написан алгоритм коррекции положения относительно максимума освещенности солнца для платформы Arduino Uno.

Дальнейшее направление разработки: реализовать экспериментальный образец «Гелиотропической панели» лепесткового типа с автоматической коррекцией положения, а также протестировать солнечные элементы на основе органических материалов.

Список литературы / References

1. Отчет о развитии ВИЭ и предложения в энергетическую стратегию России [Электронный ресурс]. - URL: http://gisre.ru (дата обращения: 22.03.2017).
2. Renewable Energy Market Analysis: The GCC Region // The International Renewable Energy Agency. - Abu Dhabi, 2016. - 454 р.
3. Causes effects solution urbanization. URL: http://www.conserve-energy-future.com/ causes-effects-solutions-urbanization.php (дата обращения: 22.03.2017).
4. Kukreti K., Pratap A., Brijeh K. Recent Advancements and Overview of Organic Solar Cell. ICCCA, 2016.
5. Rath, J. Low temperature polycrystalline silicon: a review on deposition, physical properties and solar cell applications // Solar Energy Materials and Sola-Cells. 2003.76(4). Р.431-487
6. Rasool F., Drieberg M., Badruddin N., Singh B. Modeling of PV Panels Performance Based on Datasheet Values for Solar Micro Energy Harvesting, 2016.
7. Chien L.J., Drieberg M., Sebastian P., Hiung L.H. A simple solar energy Harvester for Wireless Sensor Networks, 2016.
8. Энергия Солнца // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Otchet o razvitii VIJe i predlozhenija v jenergeticheskuju strategiju Rossii [The report on development of RES and the offer in power strategy of Russia] [Electronic resource]. - URL: http://gisre.ru (accessed: 22.03.2017). [in Russian]
2. Renewable Energy Market Analysis: The GCC Region // The International Renewable Energy Agency. - Abu Dhabi, 2016. - 454 р.
3. Causes effects solution urbanization. - URL: http://www.conserve-energy-future.com/causes-effects-solutions-urbanization.php (accessed: 22.03.2017).
4. Kukreti K., Pratap A., Brijeh K. Recent Advancements and Overview of Organic Solar Cell. ICCCA, 2016.
5. Rath, J. Low temperature polycrystalline silicon: a review on deposition, physical properties and solar cell applications. Solar Energy Materials and Sola-Cells. 2003; 76(4): 431-487
6. Rasool F., Drieberg M., Badruddin N., Singh B. Modeling of PV PanelsPerformance Based on Datasheet Values for Solar Micro Energy Harvesting, 2016.
7. Chien L.J., Drieberg M., Sebastian P., Hiung L.H. A simple solar energy Harvester for Wireless Sensor Networks, 2016.
8. Energy of the Sun // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron: 86 t. (82 t. And 4 ext.). - St. Petersburg, 1890-1907.