Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования 10
1.1 Особенности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей России и Республики Башкортостан 10
1.2 Экономические и экологические предпосылки развития СФУ
1.3 Способы повышения эффективности СФУ 19
1.4 Классификация и обзор СФУ с системами слежения за Солнцем 25
1.5 Обзор и анализ математических и имитационных моделей для исследования СФУ 32
Выводы по главе 37
2 Математическая и имитационная модели солнечной фотоэлектрической установки 39
2.1 Разработка математической модели СФУ 39
2.2 Разработка имитационной модели СФУ 51
Выводы по главе 59
3 Программа, средства и методика проведения экспериментальных исследований 61
3.1 Программа экспериментальных исследований 61
3.2 Описание экспериментальной СФУ 62
3.3 Средства контроля и измерения, применяемые при проведении экспериментов 68
3.4 Методика экспериментальных исследований 76
Выводы по главе 82
4 Результаты и анализ экспериментальных исследований
4.1 Математическая обработка результатов экспериментов 83
4.2 Верификация, оценка адекватности и проблемный анализ разработанных математической и имитационной моделей 87
4.3 Сравнительный анализ значений интенсивности солнечного излучения, определнных методом «светового эквивалента» и регистрируемых информационно-измерительным комплексом 105
4.4 Сравнительный анализ выходных энергетических характеристик, полученных имитационным моделированием с характеристиками, снятыми с экспериментальной СФУ 107
4.5 Исследование влияния степени пространственной ориентации
СФУ на эффективность работы установки с учетом климатиче
ских и географических факторов, на примере условий РБ 111
Выводы по главе 120
5 Оценка экономической эффективности применения систем слежения за солнцем в СФУ 121
5.1 Расчет удельной стоимости СФУ без системы и с системами слежения за Солнцем 121
5.2 Определение выходной мощности единичной площади СФЭ в СФУ без системы и с системами слежения за Солнцем 124
5.3 Расчет удельной стоимости СФУ с единичной площадью СФЭ с системами и без системы слежения, отнесенной к единице вырабатываемой мощности 127
5.4 Расчет экономической эффективности и срока окупаемости систем слежения за Солнцем в СФУ 129
Выводы по главе 133
Основные выводы 134
Список сокращений 136
Список литературы
- Классификация и обзор СФУ с системами слежения за Солнцем
- Разработка имитационной модели СФУ
- Средства контроля и измерения, применяемые при проведении экспериментов
- Сравнительный анализ значений интенсивности солнечного излучения, определнных методом «светового эквивалента» и регистрируемых информационно-измерительным комплексом
Введение к работе
Актуальность темы. Сельскохозяйственный сектор экономики России является одним из крупнейших потребителей энергоресурсов. Для устойчивого развития сельскохозяйственного производства, особенно в сложившихся условиях ускоренного им-портозамещения, электроснабжение сельскохозяйственных потребителей находится в числе приоритетных задач.
Особенности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, связанные с большой протяженностью электрических сетей, при относительно малой мощности электроустановок, сезонным характером нагрузки, а также непродолжительностью использования установленной мощности, вызывают значительные потери электроэнергии и увеличивают затраты на е передачу. Кроме того, из-за большого износа электрических сетей существует проблема по обеспечению наджности электроснабжения данных потребителей. Все это, в свою очередь, ведт к снижению эффективности производства сельскохозяйственной продукции.
Одним из способов решения существующих проблем электроснабжения сельскохозяйственных потребителей является применение распределенной генерации на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Следует также отметить, что в перспективных планах развития электроэнергетики России, связанных с созданием интеллектуальной активно-адаптивной сети и местных микросетей, увеличению масштабов использования ВИЭ, в частности энергии Солнца, уделяется особое внимание.
Несмотря на известные достоинства солнечной энергии, е практическое использование, как источника электрической энергии в РФ, не получило ещ заметного распространения. К препятствиям активного внедрения солнечных фотоэлектрических установок (СФУ) относят высокую стоимость и низкий КПД солнечных фотоэлектрических элементов (СФЭ), нестабильность вырабатываемой ими электрической энергии, связанной с пространственно-временной изменчивостью поступления солнечной радиации, е рассеянностью, низкой плотностью.
Известным способом повышения эффективности СФУ, путм максимального использования поступающей солнечной энергии, является применение систем слежения, которые позволяют изменять е пространственную ориентацию относительно Солнца. Однако влияние пространственной ориентации СФУ на эффективность е работы с учетом временных, географических и климатических факторов исследовано недостаточно. Повышение эффективности СФУ путем обоснования е пространственной ориентации с учетом комплексных факторов является актуальной задачей.
Тематика работы отвечает «Энергетической стратегии России на период до 2035 г.» и направлена на решение важнейших задач, вытекающих из Распоряжений Правительства РФ №1-р от 08.01.2009 «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 г.» и № 151-р от 02.02.2015 «Стратегии устойчивого развития сельских территорий РФ на период до 2030 г.», а также Федерального закона № 261- ФЗ от 23.11.2009 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ».
Цель работы: повышение эффективности выработки электрической энергии автономных СФУ для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей путм обоснования пространственной ориентации СФУ на основе комплексного учета временных, географических, климатических факторов, технических и конструктивных параметров установки.
Задачи исследования:
- определить показатели, учитывающие временные, географические и климатические факторы, технические, и конструктивные параметры установки для уточнения вольт-амперной характеристики (ВАХ) СФУ при е пространственной ориентации;
- разработать математическую модель для определения энергетических характе
ристик СФУ при е пространственной ориентации;
- на базе разработанной математической модели СФУ создать имитационную мо
дель в программной среде MATLAB/Simulink;
- разработать методику исследования работы СФУ, создать экспериментальную
СФУ, провести е исследование, проверить адекватность разработанных математиче
ской и имитационной моделей;
исследовать влияние степени пространственной ориентации СФУ на эффективность работы установки с учетом временных, географических и климатических факторов, на примере условий Республики Башкортостан (РБ);
оценить экономическую эффективность применения систем слежения за Солнцем в СФУ в условиях РБ.
Объект исследования: процесс выработки электрической энергии автономной СФУ на базе кремниевой солнечной фотоэлектрической батареи (СФБ) при различной пространственной ориентации СФУ.
Предмет исследования: взаимосвязь энергетических характеристик СФУ с е пространственной ориентацией с учетом временных, географических и климатических факторов.
Научная новизна:
-
Методика определения показателей, комплексно влияющих на работу СФУ, для получения уточненной ВАХ с учтом временных, географических, климатических факторов, технических и конструктивных параметров при изменении е пространственной ориентации на Солнце.
-
Математическая модель для определения энергетических характеристик СФУ, разработанная на основе уточненной ВАХ в зависимости от комплексного воздействия интенсивности солнечного излучения, температуры воздуха, скорости ветра, технических и конструктивных параметров СФУ при изменении е пространственной ориентации.
-
Методика управления системой слежения за Солнцем в солнечных установках на основе согласования режимов работы установки с уровнем поступления солнечной радиации.
-
Впервые в условиях РБ установлены наиболее эффективные режимы работы СФУ по степени е пространственной ориентации.
Методы исследования: для исследования поставленных в диссертационной работе задач использовались методы математического и имитационного моделирования с применением программного обеспечения MATLAB /Simulink; методы разработки алгоритмов программирования на языках PIC BASIC и MATLAB/Simulink; метод производства приземных метеорологических измерений и наблюдений; метод «светового эквивалента».
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая и имитационная модели, позволяющие получать энергетические характеристики СФУ с учетом географической широты места расположения установки, времени суток и года или их периода, пространственной ориентации СФУ на Солнце, технических и конструктивных параметров СФБ.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, отражающие изменение ВАХ и вольт-ваттной характеристики (ВВХ), выходной мощности СФУ, в зависимости от степени е пространственной ориентации с учетом климатических, географических, временных факторов, технических и конструктивных параметров СФБ, на примере условий РБ.
3. Результаты технико-экономических расчтов эффективности применения в
СФУ систем слежения за Солнцем на примере природно-климатических условий РБ.
Практическая значимость работы и реализация её результатов: предложены оригинальные солнечные электростанции с азимутальным и полным слежением за Солнцем, обладающие простотой конструкции и обслуживания; разработаны имитационная модель работы СФУ и программы для ЭВМ, позволяющие автоматизировать процесс
выполнения расчетов при исследовании и проектировании СФУ; разработана принципиальная электрическая схема управления СФУ на базе микроконтроллера PIC16F877A, с оригинальной программой управления, обеспечивающая автоматическую работу системы слежения за Солнцем; уточнены значения параметра кривизны ВАХ (А) и коэффициента освещенности (К) для наземных монокристаллических кремниевых СФБ.
Новизна технических решений подтверждена тремя свидетельствами о государственной регистрации программы ЭВМ и двумя патентами РФ на полезную модель.
Результаты исследования внедрены в ООО «Дружба» Миякинского района РБ и приняты к внедрению в ООО «Маяк» Миякинского района РБ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на 9 научно-практических (технических) конференциях, в том числе на: XLIX и LIV Международных научно-технических конференциях «Достижения науки - агропромышленному производству» (г. Челябинск, ЧГАА, 2010, 2015); Международной научно-практической конференции в рамках XXIV Международной специализированной выставки «АгроКомплекс - 2014» (г. Уфа, БГАУ, 2014); 9-й Международной научно-технической конференции (г. Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2014); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергообеспечения предприятий» (г. Уфа, Башкирская Выставочная Компания, 2014).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК, получены 2 патента РФ и 3 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Содержит 150 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 18 таблиц, 22 страницы приложений, список литературы из 123 наименований.
Классификация и обзор СФУ с системами слежения за Солнцем
В 30-х гг. прошлого века КПД СФЭ едва доходил до 1% – в настоящее время КПД кремниевых СФЭ составляет 15-20%. Разработаны СФЭ, максимальный КПД которых в лабораторных условиях достигает 36,9 % (на основе каскадных гетероструктур) и 37,5% (арсенид-галлиевые), но стоимость их значительно дороже. Ожидаемый КПД наземных каскадных СФЭ при стандартных условиях испытания составляет 44%, теоретический – 49% [4].
В настоящее время наблюдается тенденция роста цен на традиционное топливо. Запасы ископаемых топлив ограничены, а значит, их стоимость со временем будет возрастать и дальше. На фоне роста цен на электроэнергию, получаемую от традиционных энергоресурсов, и снижения стоимости СФЭ, а так же увеличения их КПД, вопросы развития СФУ представляются все более целесообразными [10].
Уже сегодня, несмотря на высокую стоимость, использование СФУ в определнных случаях оказывается экономически конкурентоспособным. Это относится к территориям страны с рассредоточенными потребителями с децентрализованным энергоснабжением, несущими убытки при перебоях энергоснабжения или к потребителям с ненаджным централизованным энергоснабжением. Конкурентоспособность СФУ в районах децентрализованного электроснабжения РФ объясняется высокой стоимостью электроэнергии, вырабатываемой на местных электростанциях – к примеру, при помощи дизельных генераторов, работающих на жидком дорогостоящем топливе. Дороговизна топлива связана с трудностями его завоза и влечет за собой увеличение стоимости получаемой электроэнергии. Во многих горных и северных районах России цена электрической энергии доходит до 17…25 руб./кВтч [91].
Кроме того, существующий в настоящее время подход к определению сравнительной экономической эффективности СФУ и установок, работающих на традиционном топливе, является спорным. Он не учитывает скрытые затраты, связанные с вредным воздействием традиционной энергетики на окружающую среду и здоровье людей. В качестве примера ниже приводится лишь малая доля ущерба окружающей среде и здоровью людей наносимого традиционной топливной энергетикой.
Выбросы диоксида серы и окислов азота вызывают кислотные дожди, которые вредны всему живому. Окислы азота, образующиеся при сгорании природного газа, являются первичным компонентом для образования смога, который в городах промышленно развитых и развивающихся стран связан с малым весом новорожденных, мертворожденными детьми и детской смертностью. Диоксид углерода вызывает изменения погодных условий, кроме того, принято считать, что он вносит решающий вклад в глобальное изменение климата. Выбросы атомными электростанциями огромного количества криптона-85 ведут к увеличению числа и интенсивности бурь, штормов, ураганов, тайфунов [47, 21].
Загрязнение окружающей среды традиционной топливной энергетикой пагубно отражается на здоровье людей. Выбросы вредных веществ, попадающих в организм человека, в первую очередь, вместе с вдыхаемым воздухом, вызывает лгочные, онкологические и иные заболевания, особенно у детей [67].
Если учитывать эти скрытые затраты (таких как: оплата медицинского обслуживания; снижение урожайности в результате загрязнения воздуха, воды и почвы и.т.д.) в тарифах на электроэнергию, то солнечная фотоэнергетика уже сегодня становится конкурентоспособной с существующей традиционной энергетикой.
Следует также отметить, что в перспективных планах развития электроэнергетики России, связанных с созданием интеллектуальной активно-адаптивной сети (которая в европейской трактовке звучит как «Smart Grid») и локальных (местных) микросетей, увеличению масштабов использования ВИЭ, в частности энергии Солнца, уделяется особое внимание. Причем благодаря использованию ВИЭ планируется решить не только ряд таких основных задач, как снижение негативной нагрузки на окружающую среду, уменьшение дефицита, улучшение качества электрической энергии и повышение наджности электроснабжения, но и задачу снижения стоимости электроэнергии для потребителей [37, 95, 102].
Препятствием активному внедрению СФУ, наряду с высокой стоимостью и низким КПД СФЭ, является нестабильность вырабатываемой ими электрической энергии, связанная с временной изменчивостью прихода солнечной радиации, е рассеянностью, низкой плотностью и зависимостью от климатических и географических условий.
Основными известными способами повышения эффективности СФУ являются: - разработка прогрессивных технологий изготовления СФЭ, направ ленных на уменьшение их стоимости и увеличение КПД; - использование концентраторов солнечного излучения; - применение систем слежения за Солнцем. Успехи в разработке прогрессивных технологий изготовления СФЭ, направленных на уменьшение их стоимости и увеличение КПД рассматривались ранее, результаты приведены на рисунках 1.3, 1.4. Несмотря на разработку различных типов солнечных элементов, кристаллические кремниевые СФЭ доминировали с самого начала развития фотоэлектрических технологий и занимают на сегодняшний день более 85% рынка [112].
Это объясняется высокой распространенностью кремния в природе, относительной его дешевизной и развитостью индустрии по производству полупроводниковых приборов на основе кремния, влияющих на стоимость кремниевых СФБ, которая остается относительно низкой по сравнению с различными типами существующих сегодня СФБ, к примеру, арсенид галлиевых.
В работе [4] отмечено, что, скорее всего, СФБ из кристаллического кремния станут основой системы децентрализованного электроснабжения.
Монтаж СФУ производился уже из имеющихся СФБ, поэтому в плане практического применения, в данной работе способ повышения эффективности СФУ путем разработки прогрессивных технологий изготовления СФЭ не рассматривался.
Разработка имитационной модели СФУ
Разработанная математическая модель СФУ позволяет оценить влияние на выходные энергетические характеристики СФУ, как внутренних, так и внешних факторов (интенсивности солнечного излучения, температуры воздуха, скорости ветра, степени ориентации СФУ на Солнце в зависимости от времени года и суток) [107].
Для проведения расчетов и визуального отображения необходимых данных и графиков на ЭВМ при исследовании работы СФУ, разработанная математическая модель СФУ была реализована в программной среде имитационного моделирования MATLAB /Simulink. Для знакомства и работы с данной программной средой имеется достаточное количество специальной литературы, например [38, 79, 97, 98].
Разработанная и составленная имитационная модель СФУ состоит из трех основных частей (рисунок 2.2):
1. «Подсистема 1». Подсистема, воспроизводящая условия окружаю щей среды, наиболее существенно влияющие на работу СФУ (интенсивность суммарного солнечного излучения, падающего на поверхность СФБ СФУ, температуру воздуха), с учетом географических, климатических факторов, времени суток, дня года и степени пространственной ориентации СФУ на Солнце;
2. «Подсистема 2». Подсистема расчета параметров внешних факторов, позволяющая рассчитывать интенсивность солнечного излучения на поверхности СФЭ и е температуру, с учетом условий окружающей среды, технологических и конструктивных параметров СФЭ и СФБ;
3. «Подсистема 3». Подсистема расчета и воспроизведения выходных энергетических характеристик СФУ, позволяющая на основе внутренних параметров (технологических и конструктивных особенностей СФЭ и СФБ) и внешних факторов (интенсивности солнечного излучения на поверхности СФЭ и е температуры) рассчитывать и строить ВАХ и ВВХ, выходную мощность как единичных СФЭ, так и СФУ в целом.
Имитационная модель СФУ, как единая программа, включает в себя две подпрограммы: «Программа расчета суммарной интенсивности солнечного излучения на горизонтальную, наклонную с ориентацией на юг, полностью или азимутально ориентируемую на Солнце поверхности и определения температуры окружающего воздуха» («подсистема 1») и «Расчетно-графическая программа для построения энергетических характеристик СФЭ и фотоэлектрического модуля» («подсистема 3»).
Дополнительно, к существующим между подпрограммами связям, имеются два связующих блока: «блок расчета рабочей температуры СФЭ» и «блок расчета потерь солнечного излучения в защитном стекле» (в совокупности представляют собой «подсистему 2»). Более подробное описание программ (подсистем) и особенности реализации некоторых их частей приводятся ниже. Расчетно-графическая программа для построения энергетических характеристик солнечного элемента и фотоэлектрического модуля («подсистема 3»)
Внешний вид расчетно-графической программы в окне программной среды MATLAB/Simulink представлен на рисунке 2.3. программы для построе-окне программной среды Для удобства использования и разгрузки рабочего окна от объемной информации взаимосвязанные блоки были собраны в единую подсистему на основе блока SubSystem3. В более поздних версиях Simulink наблюдается самопроизвольная смена символов кириллицы в надписях, текстовых комментариев и не поддерживаются буквы русского алфавита внутри блоков, поэтому переменные иногда обозначены через похожие английские буквы.
Составленная программа представляет собой взаимосвязанный алгоритм вычислительных операций, позволяющий на основе исходных данных рассчитывать и строить ВАХ и ВВХ как отдельного СФЭ, так и СФБ с различными параметрами, и оценить влияние на их выходные энергетические характеристики как внутренних параметров, определяемых свойствами исходного полупроводника, так и внешних факторов (температуры и интенсивности солнечного излучения, количества последовательного, параллельного соединения СФЭ в модуле, СФБ). Данная программа прошла государственную регистрацию в Реестре программ для ЭВМ РФ [73].
Средства контроля и измерения, применяемые при проведении экспериментов
В [118] приводятся данные температуры воздуха на поверхности земли и на высоте 10м от е поверхности. Так как в актинометрических станциях проводят измерение температуры воздуха на высоте 2м от поверхности земли, для сравнения были выбраны значения среднемесячных температур воздуха на поверхности земли.
Относительные отклонения данных NASA от справочных значений, полученных с помощью актинометрических наземных наблюдений, среднемесячных температур воздуха не превышает 14%, что приемлемо для проведения проектирования и исследования СФУ.
Таким образом, в качестве исходных данных, для определения интенсивности солнечного излучения и температуры воздуха при проектировании и исследования СФУ, наряду с данными климатических справочников, применимы и данные базы NASA. При определении интересующих данных из указанных климатических справочников возникают некоторые затруднения, для решения которых нужны дополнительные вычисления: - перевод единиц измерения в систему СИ (международная система единиц). Например, перевод значения интенсивности солнечного излучения в Вт/м, так как в [80] оно приведено в кал/сммин); - определение значений температуры окружающего воздуха и интенсивности солнечной радиации в иные от фиксированных моментов времени суток и года. В частности, значения интенсивности солнечного излучения в [80] приведены для фиксированных моментов среднесолнечного времени, между которыми достаточно большие интервалы, интенсивности в которых не известны; - приведение значений интенсивности солнечного излучения и температуры воздуха к единому времени (К примеру, измерения температуры воздуха Тв [C] в справочнике [81] проводились по местному декретному времени. Для того чтобы перейти от местного времени к среднесолнечному времени, нужно к декретному времени придать постоянную поправку); - расчет потока солнечной радиации на наклонную поверхность, так как в справочнике [80] указаны интенсивности солнечного излучения только на горизонтальную поверхность, в то время как для проектирования и исследования СФУ представляют наибольший интерес данные по приходу солнечной радиации на наклонную поверхность.
Таким образом, получение необходимой информации по солнечному излучению и температуре воздуха является трудоемким процессом, требующим порой углубленного изучения материалов, связанных с географией, климатологией, синоптической метеорологией и.т.д.
Разработанная программа, на основе «подсистемы 1» нацелена на решение вышеуказанных проблем, возникающих при определении интенсивности солнечного излучения и температуры воздуха из климатических справочников. В качестве примера, в приложении В на рисунке В.1 представлены результаты моделирования, полученные с помощью разработанной программы для 23 февраля в условиях с. Кушнаренково РБ. При необходимости, добавлением виртуального многоканального осциллографа Scope, для визуального сравнения можно объединить несколько графиков в одном графическом окне (рисунок В.2).
Сопоставление результатов моделирования с данными, приведенными в [80] показало, что погрешность не превышает 9 %, с данными, приведенными в [81] – 5%. Следовательно, вышеуказанные способы определения значений интенсивности солнечного излучения и температуры воздуха могут быть использованы при исследовании работы СФУ.
Тестирование «подсистемы 2» проводилось на примере экспериментальной СФУ, состоящей из двух параллельно соединенных СФБ. Основные технические характеристики СФБ приведены в таблице 3.1. Более подробные конструктивные и технологические параметры СФБ экспериментальной СФУ приводятся ниже.
Габаритные размеры СФБ 0,680,670,025м. СФЭ из монокристаллического кремния в СФБ герметично заламинированы под слегка рифлным, с низким содержанием оксидов железа стеклом, толщиной В = 0,4см и помещены в алюминиевый каркас. Тыльная сторона СФБ выполнена из белого листового ПВХ с шероховатой наружной поверхностью. Поэтому в качестве исходных данных были приняты следующие значения: - площадь поверхности СФБ SФБ = 0,4556м2; - интегральный коэффициент поглощения солнечного излучения СФБ определяется как полная доля излучения, поглощнного при прохождении через не солнечных лучей. Данный коэффициент зависит от конструкции, оптических свойств, структуры материалов защитного покрытия СФБ и СФЭ, а также угла падения солнечных лучей на поверхность СФБ. Действительное значение И1 определяется опытным путем с помощью специальных измерительных приборов. В [68] отмечено, что Ц больше 0,75 и может достигать значения 0,9. Приняли усредненное значение равное 0,8; - Ло = 14%, То = 25С; - F = 2 (из [67] для плоского модуля, охлаждаемого с двух сторон); - х = 0,004К-1 (усредненный из [116]); - v = 4м/с (среднегодовая в с. Кушнаренково РБ по данным базы NASA; - si и s2= 0,98 (для неметаллических тел с шероховатыми поверхно стями согласно [28]. Входные значения интенсивности солнечного излучения и температуры воздуха импортировались из «подсистемы 1», на основании данных климатических справочников.
Сравнительный анализ значений интенсивности солнечного излучения, определнных методом «светового эквивалента» и регистрируемых информационно-измерительным комплексом
В условиях современного рыночного ценообразования с неустойчивой конъюнктурой рынка товаров, приводящей к изменению цен в течение короткого времени, не представляется возможным использовать данные о ценах, процентных соотношениях приведенные в литературных источниках. Кроме того, определение, к примеру, стоимости опорных конструкций, систем преобразования и аккумулирования вырабатываемой электроэнергии, систем слежения и ряда других отдельных, составляющих частей СФУ, возможно только после проведения расчетов и выбора этих элементов конкретно к данной установке. В связи с этим последующие расчеты производились на примере разработанной и изготовленной экспериментальной СФУ при условии, что все сравниваемые между собой СФУ без системы и с системами слежения за Солнцем имеют две одинаковые по техническим характеристикам, приведенным в таблице 3.1, СФБ каждая. Географические и климатические условия месторасположения СФУ соответствует условиям с. Кушнаренково РБ. Общая площадь СФЭ в СФУ рассчитывалась как: SСФЭ =S-N = 0,01-72 = 0,72м2, (5.4) где S - площадь единичного СФЭ, м; N - общее количество СФЭ в СФУ, шт. Розничная стоимость СФБ HH-MONO60W составляет 4200руб. Так как в цену уже включена стоимость сборки, каркаса, ламинирования, защитного остекления и.т.д., а также с учетом того, что в СФУ установлены две СФБ, а общая 8СФЭ =0,72м2стоимость 1м СФЭ с учетом сборки составит: Стоимость создания конструкции установки для СФУ, отнесенная к единице площади без системы слежения определялась по формуле: Суб = — СПАЭ _ _ 26222,2руб./м 2 (5.5) где Сок6 - стоимость опорной конструкции, руб.; ССПАЭ- стоимость систем преобразования и аккумулирования вырабатываемой электроэнергии с учетом монтажа, руб.
Опорная конструкция металлическая предназначена для крепления СФУ на крышу здания или сооружения, с возможность фиксации положения СФБ под определнными углами относительно горизонта. Система преобразования и аккумулирования вырабатываемой электроэнергии состоит из: контроллера заряда аккумуляторной батареи; инвертора; аккумуляторной батареи и соединительных проводов.
Таким образом, удельная стоимость СФУ без системы ориентации на Солнце составит: ССФУб = 11666,7 + 26222,2 = 37889руб./м2, Стоимость создания конструкции установки для СФУ, отнесенная к единице площади с азимутальной системой слежения находилась как: с = д+Ссд4Э+ССТа=2400+17080+4900 = 3386 2 SC03 0,72 , (5 . ) где СОКа- стоимость корпуса, стойки, металлического каркаса (рисунок 3.1) с учетом монтажа, руб.; Села - стоимость системы слежения по азимуту, включает реверсивный электропривод, редуктор, блок управления с силовым модулем, с учетом монтажа и настройки, руб. Удельная стоимость СФУ с СФБ с азимутальной системой слежения за Солнцем: ССФУа = 11666,7 + 33861=45527,7руб. / м2, 124 Удельная стоимость СФУ с системой полного слежения за Солнцем рассчитывалась аналогично и составила 51420 руб./м. Затраты связанные с применением систем слежения, отнесенные к единице площади СФЭ определялись по формуле: ЗсЛа(п)=СсФУа(п)-ССФУ5, (5.7) где ССФУа(п) - удельная стоимость СФУ с азимутальной или полной системой слежения, соответственно, руб./м. По формуле (5.7) произвели расчет удельных затраты связанных с применением систем слежения: - за Солнцем по азимуту 3cjja =45527,7-37889= 7638,7 руб./м2; - с полным слежением за Солнцем ЗСЛп = 51420-37889= 13531руб./м2. Таким образом, система азимутального слежения за Солнцем увеличивает удельную стоимость СФУ на 20%, система с полной ориентацией на 35,7%. 5.2 Определение выходной мощности единичной площади СФЭ в СФУ без системы и с системами слежения за Солнцем
Определение выходной мощности СФУ с СФБ проводились с помощью разработанной математической и имитационной моделей СФУ, описанных в главе 2. Имитационная модель позволяет получить значение мощности стационарной и ориентируемой на Солнце СФУ с СФБ, в условиях максимально приближенных к реальным, для любого времени суток и года.
Количество произведенной электрической энергии за интересуемый промежуток времени производился по аналогии определения площади неправильных фигур формулой трапеции. На рисунке 5.1 для визуального восприятия определения количества произведенной энергии за день представлен условный график вырабатываемой мощности.
Интервал времени выработки электрической энергии СФУ tр = ti + tn (рисунок 5.1) делится на п равных интервалов t. Чем больше количество интервалов п, тем выше точность. При расчетах, количество интервалов не превышало п = 100. Программой определялись значения Рь Р2 … Рп, при соответствующих tb t2, … tn. Далее количество произведенной электрической энергии определялось по формуле:
Выработка электрической энергии за год определялась суммированием дневного количества произведенной энергии с 01 января по 31 декабря. В таблицу 5.1 сведены рассчитанные значения и сравнительные показатели годовой выработки электрической энергии: СФУ с южной ориентацией без системы слежения с СФБ, расположенными под оптимальным углом к горизонту (WГ.б ); СФУ с азимутальным слежением за Солнцем (WГ.а ); СФУ с полным слежением за Солнцем (WГ.п ).
В рассматриваемом случае СФУ имеют системы слежения с электрическим приводом, управляемым электронным блоком через силовой модуль, поэтому необходимо учесть, что часть вырабатываемой установкой электрической энергии расходуется на саму систему слежения [16].
Электронный блок с силовым модулем системы слежения за Солнцем по азимуту, с учетом потребления в режиме ориентации и «ждущем режиме», потребляет в среднем в течение дня 1,86 Втч, с полным слежением - 4,32 Втч. Чувствительность систем слежения настроена на срабатывание при увеличении угла, между направлением на Солнце и нормалью поверхности СФБ, на 10 градусов. В системах слежения применяется электродвигатель постоянного тока МЭ-241 (ТУ37.003.674-78), с возбуждением от постоянных магнитов, который является составной частью мотор-редуктора СЛ193Б. Номинальная мощность данного электродвигателя 6Вт. С учетом потерь при пуске под нагрузкой двигателей постоянного тока независимого возбуждения, рассчитанных согласно [39], мощность электродвигателя МЭ-241 в первые 3с. времени составит 7Вт, в 2с. - 6,5 Вт. В системе азимутального слежения применяется один мотор-редуктор, в системе полного слежения - два мотор-редуктора СЛ193Б. При подсчетах времени работы двигателей учитывалось, что в среднем в течение дня электродвигатель, отвечающий за азимутальную ориентацию СФБ, включается 16 раз с длительностью работы 3с. и 20с. его работа требуется для возврата положения СФБ в исходное состояние, для подготовки СФУ к следующему рассвету Солнца. При полном слежении учитывается работа второго электродвигателя, который включается в работу 6 раз, с длительностью каждого включения 2с.