Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Выбор объекта, цели и задач исследования 12
1.1. Перспективы развития и применения систем автономного электроснабжения на базе возобновляющихся источников энергии 12
1.2. Анализ современного состояния систем автономного электроснабжения 21
1.3. Цель и задачи исследования 26
ГЛАВА 2. Методики расчета актинометрических и ветровых характеристик и графиков нагрузки потребителя 27
2.1. Методика расчета плотности потока солнечного излучения, поступающего на поверхности следящих и наклонных солнечных фотоэлектрических установок 27
2.1.1. Оценка точности методик расчета плотности потока солнечного излучения при чистом небе. Выбор расчетного метода 27
2.1.2. Методика определения плотности потока солнечного излучения, поступающего на поверхности солнечных установок в реальных погодных условиях 34
2.2. Методика расчета часовых значений скорости ветра 43
2.3. Методика расчета суточных графиков электропотребления автономных жилых домов 44
ГЛАВА 3. Модель системы автономного электроснабжения 50
3.1. Состав элементной базы и структурная схема системы автономного электроснабжения 50
3.2. Модели элементов системы автономного электроснабжения 52
3.2.1.Солнечная фотоэлектрическая установка 52
3.2.2. Ветроэнергетическая установка 54
3.2.3. Аккумуляторная батарея 57
3.2.4. Контроллер заряда аккумуляторных батарей 61
3.2.5. Инвертор 62
3.2.6. Резервный источник энергии 66
3.3. Режимы работы элементов системы автономного электроснабжения 71
ГЛАВА 4. Оценка влияния эксплуатационных факторов на энергетическую эффективность солнечных фотоэлектрических установок 75
4.1. Исследование зависимости энергетической эффективности солнечных элементов и фотоэлектрических установок от спектрального состава падающего солнечного излучения 75
4.2. Исследование зависимости энергетической эффективности солнечных элементов и фотоэлектрических установок от температуры элементов 82
4.2.1. Методика расчета рабочей температуры многопереходного солнечного элемента в модулях с концентраторами излучения 82
4.2.2. Методика расчета рабочей температуры кремниевого солнечного элемента в плоском фотоэлектрическом модуле 92
4.3. Анализ влияния метеорологических факторов на энергетические характеристики солнечных фотоэлектрических элементов 98
ГЛАВА 5. Методика обоснования параметров системы автономного электроснабжения 105
5.1. Методика обоснования параметров систем автономного электроснабжения 105
5.2. Алгоритм выбора оптимальных структурной схемы и параметров элементов систем автономного электроснабжения 111
5.2. Пример расчета оптимальных параметров систем автономного электроснабжения для конкретного географического пункта 114
5.3. Определение районов перспективного применения систем автономного электроснабжения 121
Заключение 128
Список используемой литературы 129
Приложения 141
- Анализ современного состояния систем автономного электроснабжения
- Методика расчета часовых значений скорости ветра
- Модели элементов системы автономного электроснабжения
- Исследование зависимости энергетической эффективности солнечных элементов и фотоэлектрических установок от температуры элементов
Введение к работе
Более 70% территории России с населением около 25 млн. человек относится к районам автономного или ненадежного централизованного энергоснабжения. Это в первую очередь районы Крайнего Севера, Дальнего Востока и Восточной Сибири. Энергообеспечение потребителей этих территорий традиционно осуществляется с применением автономных дизельных электростанций. Однако их работа наносит ощутимый вред экологической обстановке и сопряжена со значительными материальными затратами на топливо и его доставку. Альтернативой дизельным электростанциям могут выступать системы на основе солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ), преобразующих экологически чистый возобновляющийся источник энергии (ВИЭ) - солнечное излучение (СИ), что подтверждается оценкой солнечных ресурсов России, а также некоторых европейских стран, где уже сейчас широко применяются солнечные фотоэлектрические установки. Так среднегодовые суммы энергии поступающего солнечного излучения во многих районах России, в том числе и таких, где ощущается недостаток централизованного электроснабжения (например, Забайкалье), больше, чем на территориях Германии или Испании. Это свидетельствует о возможности успешного внедрения в России энергоустановок, преобразующих солнечную энергию. Следует учитывать и мировые тенденции развития производства солнечных фотоэлектрических систем, которое начиная с 2000 г. растет в среднем на 30-40 % в год [58, 99], что позволит к 2040 г. довести долю солнечной энергетики до 25-28 % от мирового производства электроэнергии.
В настоящее время для электроснабжения наиболее часто применяют неподвижные ориентированные на юг солнечные фотоэлектрические установки с кремниевыми солнечными элементами (СЭ). Использование таких установок не позволяет получать высокие значения вырабатываемой мощности на единицу площади их поверхности в связи с низкими значениями КПД
6 кремниевых СЭ. Более перспективными в работе являются многопереходные элементы, КПД которых более чем в 2 раза выше кремниевых, но такие элементы дороги и для уменьшения стоимости установок их необходимо применять совместно с концентраторами солнечного излучения. Исследования показывают перспективность достаточно широкого использования СФЭУ с концентраторами солнечного излучения и многопереходными элементами наряду с установками с плоскими кремниевыми модулями на территории Российской Федерации. Однако, практически отсутствуют подходы, позволяющие определять области и территории эффективного использования СФЭУ различных типов с учетом особенностей их функционирования в составе систем автономного электроснабжения (САЭС), которые могут включать другие возобновляемые источники энергии (ветроэлектрическую установку (ВЭУ)), а также дизельный или бензиновый двигатель-генератор (ДГ, БГ), аккумуляторные батареи и т.д.
Разработаны комплексные модели САЭС, включающие описание всех элементов системы, связей между ними и возможных режимов их работы. Однако основные недостатки известных работ по моделированию и оптимизации состоят в том, что в них не рассматриваются модели солнечных фотоэлектрических установок с концентраторами СИ и многопереходными солнечными элементами, позволяющие оценивать выходные характеристики СФЭУ при изменении параметров солнечного излучения (плотности потока, спектрального состава) и температуры СЭ. Не в полной мере выявлены особенности совместной работы СФЭУ с остальными элементами системы, в частности не учитывается изменение КПД отдельных устройств в зависимости от мощности проходящих через них потоков энергии. При моделировании работы аккумуляторной батареи часто не рассматриваются такие факторы как влияние температуры окружающей среды, явления старения и саморазряда. Изложенное свидетельствует о необходимости развития моделей основных элементов САЭС, с учетом особенностей их совместной работы и зависимостей КПД от величин потоков энергии, циркулирующих в системе. Выбор
соответствующих этим моделям методов оптимизации позволит устранить отмеченные недостатки и корректно определить области и территории рационального применения СФЭУ различных типов в составе САЭС.
Актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью обеспечения потребителей, неподключенных к центральной системе электроснабжения, экологически чистой и доступной энергией, вырабатываемой системами автономного электроснабжения на базе современных солнечных фотоэлектрических установок.
Целью диссертационной работы является разработка методики обоснования параметров систем автономного электроснабжения на базе солнечных фотоэлектрических установок, а также выбор областей их перспективного применения.
Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:
Разработана методика, позволяющая более точно рассчитывать поступление солнечного излучения на различно ориентированные поверхности фотоэлектрических установок.
Развита методика определения часовых значений скоростей ветра.
Разработана методика расчета суточных графиков электропотребления автономных жилых домов.
Предложены новые модели фотоэлектрических установок, учитывающие зависимость КПД солнечных элементов от изменения параметров солнечного излучения и температуры.
Предложена модель системы автономного электроснабжения, учитывающая функциональные параметры элементов САЭС, особенности взаимосвязи между ними и эффективность их работы от значений потоков энергии, циркулирующих в системе.
Разработаны методика, алгоритм и программа обоснования структурной схемы и параметров элементов систем автономного электроснабжения.
7. Проведена оптимизация параметров систем автономного электроснабжения и определены районы территории РФ для перспективного использования в САЭС установок на основе ВИЭ.
Научная новизна представленной работы заключается в следующем:
Разработана методика, существенно повышающая точность расчета краткосрочных (часовых, минутных) значений плотности потока солнечного излучения, поступающего на различно ориентированные поверхности.
Разработаны новые модели функционирования СФЭУ, использующие зависимости КПД солнечных элементов от параметров солнечного излучения (плотности потока, спектрального состава) и температуры.
Разработаны программы для моделирования и оптимизации САЭС на базе СФЭУ и определены области эффективного применения автономных систем.
Выполнено районирование территории РФ для перспективного использования в САЭС установок на основе ВИЭ.
Достоверность полученных результатов исследований, теоретических и методических обоснований, выводов и рекомендаций подтверждается использованием в разработках научно-обоснованных и проверенных методов различных научных дисциплин, корректным применением адекватного математического аппарата, а также совпадением полученных результатов моделирования и оптимизации с известными практическими решениями и оценками.
Практическая ценность работы заключается в том, что в результате проведенных исследований:
Разработаны новые модели и инженерные методики оценки энергетических характеристик солнечных фотоэлектрических установок.
Созданы прикладные программы для ПВМ, позволяющие находить оптимальные структурные схемы и параметры элементов автономных систем.
3. Разработаны практические рекомендации по выбору структурных схем и параметров элементов САЭС для районов территории РФ.
Научные положения, выносимые на защиту:
Методика расчета краткосрочных значений плотностей потоков солнечного излучения, поступающих на различно ориентированные поверхности.
Модели функционирования фотоэлектрических установок различных типов, учитывающие зависимость энергетической эффективности солнечных элементов от их температуры и параметров солнечного излучения.
Методика моделирования работы и оптимизации параметров элементов системы автономного электроснабжения.
Апробация работы
Основные положения диссертации доложены на семинарах кафедры «Возобновляющиеся источники энергии и гидроэнергетика» СПбГПУ, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, на заседании Шестой научной молодежной школы «Возобновляемые источники энергии» (2008 г.), на неделе науки СПбГПУ (2006, 2007 г.). По результатам работы опубликовано 10 научных работ, выпущено 1 учебное пособие и сделаны доклады на 33еи и 34ой международной конференции специалистов по фотоэлектричеству (33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, San Diego, CA, May 11-16, 2008, 34th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Philadelphia, PA June 7-12, 2009.).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений. Она содержит 140 страниц машинописного текста, 36 рисунков, 14 таблиц и список используемой литературы из 126 наименований.
Краткая аннотация
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, приведены положения, выносимые на защиту, дана
оценка новизны и практической значимости полученных результатов, а также кратко изложено содержание работы.
В первой главе дан анализ ключевых проблем, возникающих при электроснабжении автономных потребителей, показаны современные тенденции производства и применения солнечных фотоэлектрических установок, а также перспективность использования в системах автономного энергообеспечения СФЭУ с концентраторами излучения и многопереходными солнечными элементами. Обоснован наиболее рациональный элементный состав САЭС.
Во второй главе представлены методики и алгоритмы определения данных о почасовом потреблении электроэнергии автономным жилым домом, о поступлении солнечного излучения на различно ориентированные поверхности СФЭУ, а также об изменении скорости ветра в течение каждого дня года.
В третьей главе определена структурная схема системы автономного электроснабжения. Приведены уточненные математические модели элементов САЭС, учитывающие изменение их КПД в зависимости от величин потоков энергии, циркулирующих в системе. Определены режимы работы элементов САЭС, получены уравнения для потоков энергии, циркулирующих в системе при каждом режиме.
В четвертой главе выполнены оценки влияния эксплуатационных факторов на энергетическую эффективность солнечных фотоэлектрических установок. Приведены новые методы учета зависимости КПД СФЭУ от плотности потока и спектрального состава падающего солнечного излучения, а также от температуры солнечных элементов.
В пятой главе диссертации разработана методика и алгоритм моделирования работы и оптимизации систем автономного электроснабжения. Проведена оптимизация структурной схемы и параметров элементов САЭС для пятидесяти географических пунктов, характеризующихся различными солнечными и ветровыми ресурсами. Определены территории РФ, пригодные
11 для перспективного применения систем автономного электроснабжения на базе солнечных фотоэлектрических установок.
В заключении диссертационной работы приведены основные результаты и выводы.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.т.н.,
профессору В.А. Грилихесу за всестороннюю поддержку и помощь в проведении диссертационных исследований, научному руководителю, заведующему кафедрой ВИЭГ, профессору, д.т.н. В.В. Елистратову за помощь в завершении диссертации, в работе над авторефератом и подготовке к защите. Также автор выражает благодарность к.ф.-м.н. сне. М.З. Шварцу, зав. лаб. к.ф.-м.н. А.В. Цветкову, д.т.н. Г.И. Сидоренко, к.т.н., профессору Л.И. Кубышкину за помощь и ценные замечания в процессе выполнения методической части работы.
Анализ современного состояния систем автономного электроснабжения
Для выбора оптимальной структурной схемы и параметров элементов системы автономного электроснабжения с возобновляющимися источниками энергии необходимы, прежде всего, реальные часовые данные о потреблении электроэнергии жилыми объектами, а также данные о поступлении солнечного излучения на ориентированные поверхности СФЭУ и изменении скорости ветра в течение каждого дня года.
Часовые данные о потреблении электроэнергии жилыми объектами определяются различными методами. В работе [4] представлен метод использующий вероятностные характеристики нагрузок отдельных бытовых электроприборов. Другой метод основан на изучении суммарного потребления электроэнергии однородными по режиму пользователями [121]. Самым простым и удобным на этапе предварительного проектирования является метод расчета часового электропотребления автономными жилыми объектами на основе многолетних накопленных данных, отражающих характер графика нагрузки электрической сети в зависимости от числа потребителей, дня недели и времени года. Эти данные достаточно информативны и легко могут быть использованы в расчетных моделях. Поэтому при разработке и обосновании подхода к формированию графика часового электропотребления жилыми объектами, не имеющими централизованного электроснабжения, с учетом сезонного и месячного изменения потребляемой энергии, за основу будут взяты профили суточного электропотребления, представленные в [21, 23].
Данные о поступлении солнечного излучения содержаться в компьютерных базах [118, 124], климатических справочниках [25], атласах [1, 28, 96]. В указанных источниках представлены главным образом годовые, месячные, реже часовые суммы энергии СИ, поступающего на горизонтальную и нормальную к направлению солнечных лучей поверхности. Данные ограничены количеством станций актинометрической сети и техническими возможностями спутникового мониторинга. Для моделирования режимов работы системы в неохваченных наблюдениями районах, проводится интерполяция доступных данных. Определение рабочих характеристик солнечных установок, ориентированных произвольным образом, осуществляется пересчетом часовых значений СИ, поступающего на горизонтальную и нормальную поверхности, в часовые значения СИ, поступающего на поверхности заданного типа. Часто наблюдаемые часовые данные по приходу СИ недоступны. В этом случае они могут быть рассчитаны по имеющимся в справочниках и базах месячным и дневным суммам энергии СИ двумя способами - первый из них основан на использовании дневного профиля поступления солнечного излучения без атмосферы [54, 84], второй на применении дневного профиля поступления СИ при чистом небе [14, 87]. Проведенные предварительные исследования показали, что второй метод предпочтительнее, так как позволяет качественно и количественно оценивать поступающее солнечное излучение и демонстрирует более точные расчетные данные: максимальная среднеквадратическая ошибка расчета реальных часовых сумм солнечного излучения не превышает 8 %, в то время как по первому методу она достигает 10-12 %. Методики расчета поступления солнечного излучения при чистом небе представлены в работах [19, 48, 51, 66, 69, 97, 123, 126], однако они не позволяют получать удовлетворительные результаты для территории России. Поэтому возникает задача создания усовершенствованной методики расчета поступления солнечного излучения на различно ориентированные поверхности СФЭУ, скорректированной для условий РФ.
Данные о ветровом режиме территорий РФ измерялись на более чем четырех тысячах метеорологических станций, где фиксировались характеристики ветра, температура воздуха, атмосферное давление и др. [22]. На основании ежедневных многолетних наблюдений составлен «Справочник по климату СССР», создан ветроэнергетический кадастр России. В справочник занесены осредненные для большого числа лет данные по годовым, месячным, дневным и очень редко часовым значениям скорости ветра, что не дает возможности корректно оценивать вырабатываемую ВЭУ мощность в каждый час года [34]. Переменчивый характер скорости ветра даже при наличии суточного хода для всего года затрудняет использование этих данных для точных расчетов. Поэтому, для моделирования работы САЭС требовалось создание вероятностной модели расчета часовых скоростей ветра. В современной литературе [71, 98] предложено несколько методов определениязначений скорости ветра, основные положения которых и будут приняты при разработке алгоритма расчета часовых значений скоростей ветра в каждый день года.
Оптимизация систем электроснабжения на базе солнечных фотоэлектрических установок осуществляется с использованием моделей, включающих подробное описание всех элементов системы, связей между ними и возможных режимов их работы [52, 53, 62, 77, 91]. В моделях обычно присутствуют ограничения на уровень заряда и разряда аккумуляторной батареи и надежность снабжения потребителя электроэнергией [44, 53, 125]. Описание системы и связей её элементов может выполняться с применением теории графов [68, 73]. Выбор оптимальной системы производится по критерию минимума целевой функции, в качестве которой рассматривается зависимость суммарных затрат на систему электроснабжения от её параметров. При оптимизации применяют различные методы, в том числе генетический [79, 110], ветвей и границ [104], биссектрисный [57] и другие. Для автоматизации расчетов используют компьютерные программы, имеющие различный уровень комплексности и точности моделирования, зависящий от предъявляемых к ним требований. При этом существуют принципиальные отличия программ синтеза (HOMER [71], RETScreen [102]), определяющих структуру и параметры компонентов системы, и программ анализа (PVSYST [100], Solar Pro [117], TRNSYS [120]), позволяющих анализировать характеристики заданного варианта системы. Основные недостатки известных работ по моделированию и оптимизации С АЭС состоят в том, что в них не рассматриваются особенности работы солнечных фотоэлектрических установок и аккумуляторных батарей в реальных погодных условиях. При моделировании работы других элементов САЭС (инвертора, бензинового генератора) в существующих моделях не учитывается зависимость КПД устройств от мощности проходящих через них потоков энергии.
Выходные энергетические характеристики СФЭУ в реальных условиях эксплуатации изменяются в процессе работы, прежде всего из-за вариации
Методика расчета часовых значений скорости ветра
Для моделирования работы ветроэлектрической установки в составе САЭС необходимо иметь данные о среднечасовых значениях скорости ветра в месте размещения системы. В работе расчет суточного хода скорости ветра осуществлялся по разработанному алгоритму с учетом следующего допущения - ветроэнергетическая установка располагается на открытой местности, для которой известны все особенности ветроэнергетического режима территории. Исходными данными для расчета являются [34, 43]: 1. Многолетние наблюдаемые среднемесячные суточные скорости ветра- uf cyv, м/с; 2. Высота флюгера с анемометром на метеорологической станции - 1ц, м; 3. Параметры функции распределения Вейбулла- j3,y; 4. Коэффициент вариации - Cv ; 5. Класс открытости станции - Кгабп Для моделирования почасовых значений скорости ветра предлагается следующий алгоритм расчета: 1. Расчет уточненных значений многолетних среднемесячных суточных скоростей ветра для каждого месяца года с учетом данных о классе открытости метеостанции и высоте установки ветроколеса:где К0 - уточненный коэффициент открытости станции; Kh поправочный коэффициент высоты; т - показатель степени в общем случае зависит от скорости ветра, рельефа местности и шероховатости поверхности [15].2. Определение дифференциальной повторяемости скоростей ветра в диапазоне от 0 до максимально возможного значения, используя функцию распределения Вейбулла: где и - градация скорости ветра; /3 - параметр масштаба, численно близкий к величине среднего значения скорости ветра; у - параметр формы кривой распределения.3. Определение верхних и нижних границ возможных значенийсреднемесячных суточных скоростей ветра:где Cv - коэффициент вариации средних скоростей.4. Построение типичного суточного хода скорости ветра для каждого граничного значения по формуле предложенной в [71]: (1-0) (2.48) где д - коэффициент, показывающий связь скорости ветра и времени суток, колеблется в пределах 0 - 0,4; і - расчетный час суток; ф - час, в котором обычно наблюдается максимальная суточная скорость ветра. 5. Формирование данных по почасовым значениям скорости ветра в течение расчетных месяцев на основе дифференциальной повторяемости и суточного коридора возможных значений. Для определения требуемой потребителю часовой электрической мощности (Р отр) в качестве исходного может быть использовано одно из трех приведенных ниже статистических данных: 1. Электропотребление во время вечернего максимума; 2. Среднемесячное суточное электропотребление; 3. Среднегодовое суточное электропотребление и др. Уровень электропотребления во время вечернего максимума практически всегда различен и зависит от многих факторов и сезонов года, что не позволяет получить адекватные почасовые значения и сформировать корректные графики нагрузки. Информация о среднемесячном суточном электропотреблении допускает проводить некоторое осреднение и корректировку ежедневно меняющегося потребления в течение месяца, однако требует использования большого числа наблюдаемых данных, которые чаще всего отсутствуют. Значение среднегодового суточного электропотребления на душу населения ІОД (W сут) оптимально отражает особенности потребления электроэнергии в различных регионах страны, а также наиболее полно представлено в справочной и аналитической литературе. Поэтому при определении часового элёктропотребления оно выбрано в качестве исходного и принималось из расчета 800 кВт-ч/год для сельской и 1000 кВт-ч/год для городской местности [30, 38]. Обзор существующих методик определения часового электропотребления (см. Главу 1, п. 2) и выбор исходных данных, позволил перейти к решению основной задачи - формированию графиков энергопотребления жилыми объектами, не имеющими централизованного электроснабжения. В качестве прототипа использовался график среднегодового суточного электропотребления жилым домом в зависимости от максимальной мощности вечернего потребления Ртр (рис. 2.5) [23]. Данные графика (рис. 2.5) позволили получить расчетную зависимость для определения среднечасовой потребляемой электрической мощности путем преобразования по следующему алгоритму. 1. Рассчитано часовое потребление электроэнергии жилым объектом:
Модели элементов системы автономного электроснабжения
В настоящее время для определения электрической мощности, вырабатываемой фотоэлектрическими установками, используют формулу:Р1СФЭУ=:5СФЭУ.СИ.Т1СФЭУ (31)где 5СФЭУ - площадь световоспринимающей поверхности установки, м2; Е -плотность потока солнечного излучения, поступающего на поверхность солнечной фотоэлектрической установки в расчетный час года, Вт-ч/м2; ЧСФЭУ КПД солнечной установки.
Энергетическая эффективность солнечной установки, как правило, определяется соотношением:где гсэ - КПД солнечного элемента (СЭ); kl,k2,kn - коэффициенты, учитывающие различные потери (коммутацию, частичное затенение фотоактивной поверхности установки элементами конструкции, схемные потери, потери в линзовом блоке и т.д.).
Значение КПД солнечного элемента в формуле (3.2) принимается постоянным (пиковым), измеренным при стандартных условиях-AM 1.5, 25С, 1000 или 850 Вт/м2 в зависимости от типа солнечного модуля.
Полученное при этом расчетное значение мощности, вырабатываемой СФЭУ, может отличаться от действительного значения, прежде всего из-за вариации плотности потока и спектрального состава падающего СИ, а также температуры солнечных элементов и линзовых концентраторов [67, 80, 109, 114, 122].
Нагрев или охлаждение солнечных элементов приводит к сдвигу края спектральной чувствительности отдельных слоев СЭ в длинноволновую или коротковолновую область, соответственно, по причине температурной зависимости ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов. Возникающее при этом рассогласование между величинами плотностей фототоков отдельных р-п переходов СЭ приводит к изменению КПД многопереходных элементов [45, 78]. Аналогичный эффект рассогласования наблюдается и при изменении в течение дня спектрального состава и плотности потока падающего на элемент солнечного излучения [47, 59].
Оценки показывают, что в зависимости от условий функционирования колебания энергетической эффективности модулей с концентраторами излучения и многопереходными СЭ могут составлять до ±15-ти относительных процентов, что подтверждается данными натурных наблюдений [46, 75, 82, 49]. Такие изменения приводят к существенным различиям между предполагаемым расчетным и реально вырабатываемым установкой количеством электроэнергии. Чтобы уменьшить указанные расхождения и исключить неопределенность при вычислении энергопроизводительности необходимо учитывать влияние на КПД изменяющихся в реальных условиях эксплуатации параметров солнечного излучения и температуры СЭ. Подробное исследование влияния эксплуатационных факторов на энергетические характеристики солнечных элементов и модулей представлено в Главе 4. С учетом полученных зависимостей КПД СЭ и фотоэлектрических установок от спектрального состава падающего солнечного излучения, а также от температуры СЭ разработана модель для определения вырабатываемой СФЭУ электрической мощности в реальных погодных условиях.
Исходными данными для расчета являются: 1. Тип солнечной фотоэлектрической установки, её ориентация в пространстве; 2. Расчетные данные о почасовом поступлении на поверхность установки плотности потока солнечного излучения, Efu, Вт/м2, а также об изменении спектрального состава падающего излучения (атмосферная масса); 3. Данные о метеорологических характеристиках места эксплуатации: почасовые значения скорости ветра, температура окружающего воздуха. Последовательность расчета электрической мощности, вырабатываемой фотоэлектрическими установками, имеет вид: 1. Определение КПД СЭ как функции от величины атмосферной массы. 2. Расчет температуры СЭ и его энергетической эффективности в реальных условиях эксплуатации по представленным в Главе 4 моделям теплового баланса в модулях. 3. Определение КПД СФЭУ для найденного значения КПД СЭ по формуле (3.2). 4. Вычисление значений часовых мощностей СФЭУ заданного типа для известного почасового поступления СИ по формуле (3.1). Для функционирования в составе системы электроснабжения была выбрана ветроэлектрическая установка марки ВЭУ 2000, которая позволяет получать на выходе электроэнергию постоянного тока. Установка разработана ЗАО «СКБ «АТИК», в сотрудничестве с МАИ (Московский авиационный институт), ОАО «Туполев», ЦАГИ, ВИЭСХ (Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства) и МГТУ им. Н.Э. Баумана [26]. В табл. 3.1 представлены основные технические и энергетические характеристики принятого типа ВЭУ. качестве источника электрической энергии со стабильными электрическими параметрами вне зависимости от скорости ветра; 6. Во время работы установка сохраняет низкий уровень собственных аэродинамических шумов во всем диапазоне скоростей ветра; 7. Не требует постоянного технического обслуживания. Принятый тип ВЭУ полностью удовлетворяет требованиям совместной работы с остальными элементами САЭС, а приведенные в паспорте характеристики ВЭУ достаточны для определения почасовых значений вырабатываемой ВЭУ мощности. Расчет мощности, вырабатываемой ВЭУ, проводился с использованием моделей, предложенных в работах [5, 125]. Исходными данными для расчета являются:1. Почасовые скорости ветра, «(, м/с; 2, Характерные для заданного места размещения САЭС значения скоростей ветра, определяющие особенности отдачи мощности ветроагрегатом, и0, ир, «max М/С Вычисление значений часовых мощностей ВЭУ марки ВЭУ 2000 выполнялось по формуле: где D - диаметр ротора ВЭУ; р- 1.226 кг/м3 - плотность воздуха на уровне моря при нормальных климатических условиях, соответствующих нормальному атмосферному давлению 760 мм. рт. ст. и температуре +15С; т](и) - значение КПД ВЭУ в расчетный час дня, которое в зависимости от скорости ветра определялось соотношениями: - для скорости ветра в диапазонах и 3 м/с; и 45 м/с:
Исследование зависимости энергетической эффективности солнечных элементов и фотоэлектрических установок от температуры элементов
В реальных погодных условиях температура СЭ меняется под действием солнечного излучения, температуры окружающего воздуха и ветра, что приводит к изменению КПД солнечных установок. Для учета влияния метеорологических параметров окружающей среды на температуру и КПД СЭ и на энергопроизводительность СФЭУ были разработаны модели теплообмена в модулях двух типов - с концентраторами СИ и многопереходными СЭ и плоских модулей с кремниевыми элементами.
При создании математической модели теплообмена фотоэлектрического модуля с концентраторами СИ учитывалось, что все его конструктивные элементы находятся в состоянии постоянного взаимного обмена тепловой энергией, а, следовательно, температура любого элемента модуля зависит от теплового состояния всех остальных его элементов. Поэтому для оценки температуры СЭ была сформирована расчетная схема теплообмена элементов модуля между собой и с окружающей средой, определены величины принципы оценки температур СЭ в реальных условиях эксплуатации предложены Солуяновым А.А. подводимых к ним тепловых потоков и составлены уравнения теплового баланса для кждого элемента. Решение полученной системы уравнений теплового баланса позволило определить требуемое значение температуры СЭ
При формировании математической модели теплообмена в модуле были приняты следующие допущения: 1. Распределение сконцентрированного на СЭ излучения равномерно по его поверхности и соответствует среднему уровню концентрации. 2. Температура по всему объему СЭ одинакова. 3. Ввиду относительно небольшой величины теплового потока, подводимого к СЭ, перепад температуры по поверхности и толщине теплоотводящего основания (ТО) пренебрежимо мал, температура по всему его объему одинакова и равна температуре СЭ. 4. Линзовый блок (ЛБ) и теплоотводящее основание имеют диффузно-излучающие поверхности. 5. Кондуктивный теплообмен между ТО, ЛБ и стенками отсутствует. 6. Перепад температур между лицевой и тыльной поверхностями линзового блока отсутствует. 7. Процессы отражения СИ от поверхности солнечного элемента и последующего его прохождения через линзовый блок не рассматриваются. Такое допущение может приводить к завышению температуры СЭ в пределах 5%, что однако не оказывает существенного влияния на значение КПД многопереходного солнечного элемента. Учитывая принятые допущения можно считать, что все СЭ в модуле находятся в одинаковых условиях теплового нагружения. Поэтому при формировании математической модели рассматривались процессы теплообмена для одной пары «линза-солнечный элемент», состоящей из квадратной в плане линзы Френеля (ЛФ) со стороной ал и фокусным расстоянием f, солнечного элемента и участка теплоотводящего основания, равного по форме и размеру бтоі итог - тепловые потоки, отводимые излучением с лицевой и тыльной поверхностей ТО, соответственно; бек тепловой поток, подводимый к ТО в результате прохождения через ЛБ солнечного излучения; (23 - тепловой поток от поверхности Земли, подводимый излучением к тыльной стороне модуля. 2. Конвективный теплообмен: 2кто _ тепловой поток, отводимый от ТО в окружающую среду в результате конвекции; 6КЛБ тепловой поток, отводимый от ЛБ в окружающую среду в результате конвекции; бкв - тепловой поток, подводимый к ЛБ со стороны нагретого ТО в результате конвективно-кондуктивнои теплопередачи через воздушную прослойку во внутренней полости модуля; 3. Преобразование солнечного излучения в электрическую энергию: 2П - тепловой поток, отводимый за пределы модуля за счет преобразования части сконцентрированного солнечного излучения в электричество и эквивалентный электрической мощности СЭ. Ниже приведены математические выражения для определения всех указанных потоков энергии в соответствии с природой их действия. Лучистый теплообмен. Нагрев ЛБ связан с поглощением части падающего теплового потока Qc защитным стеклом и линзовым концентратором. Плотность потока, поглощенного в ЛБ, Епогл, определяется как разность плотностей потоков падающего, отраженного и прошедшего через него потоков солнечного излучения: где Е н - плотность потока полного солнечного излучения, поступающего на ЛБ; Еотр, Епрош - плотности потока отраженного и прошедшего через ЛБ солнечного излучения, соответственно. Плотность потока отраженного от ЛБ излучения определяется выражением:
