close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение энергетической эффективности фотоэлектрических станций работающих в условиях неравномерной освещенности

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
КУЗНЕЦОВ Павел Николаевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ, РАБОТАЮЩИХ В
УСЛОВИЯХ НЕРАВНОМЕРНОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ
05.14.08 – энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Севастополь – 2018
1
Работа
выполнена
на
кафедре "Возобновляемые источники энергии и
электрические системы и сети" Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования "Севастопольский государственный университет", г. Севастополь.
Научный руководитель
Юферев Леонид Юрьевич
доктор технических наук, доцент, ФГБНУ "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ",
главный научный сотрудник отдела возобновляемой энергетики
Официальные оппоненты:
Тягунов Михаил Георгиевич
доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО
НИУ "МЭИ", профессор кафедры гидроэнергетики и возобновляемых источников энергии
Андреев Сергей Андреевич
кандидат технических наук, доцент,
ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева,
заведующий кафедрой автоматизации и роботизации технологических процессов имени академика
И.Ф. Бородина
Ведущая организация
ФГАОУ ВО "Крымский федеральный университет
им. В.И. Вернадского" Физико-технический институт (структурное подразделение)
Защита состоится «3» июля 2018 г. в 10 часов на заседании диссертационного
совета Д 006.110.02 при ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр
ВИМ» по адресу: 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБНУ ФНАЦ ВИМ и на
сайте: http://vim.ru.
Автореферат размещен на сайте Министерства образования и науки Российской Федерации: http://www.vak3.ed.gov.ru «27» апреля 2018 г.
Автореферат разослан «_____»___________2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук
Будников Дмитрий
Александрович
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время в мире все большее распространение получают энергоустановки, работающие от возобновляемых источников энергии, среди которых,
одними из наиболее перспективных представляются установки, использующие энергию солнечного излучения. Преимуществами этого источника энергии являются экологичность, что
позволяет использовать её практически в любых масштабах, не принося ущерба окружающей
среде, а также доступность почти в каждой точке нашей планеты, различаясь по плотности излучения не более чем в два раза. В Российской Федерации достаточно много районов, где
среднегодовой приход солнечной энергии составляет 4…5 кВт·ч/м2 в сутки, этот показатель
является довольно высоким и соизмеримым с показателями в странах-лидерах по внедрению
солнечных энергетических систем. Всё это говорит о целесообразности развития солнечной
энергетики в нашей стране. К тому же модульная конструкция солнечных фотоэлектрических
установок (СФУ) позволяет проектировать их практически на любую мощность, что делает эти
установки универсальным и надежным решением, находящим широкое применение, как в
промышленном производстве электроэнергии, так и в небольших системах энергообеспечения.
Нередко при проектировании СФУ используются варианты конструкций размещения
фотоэлектрических модулей, предполагающие их работу в условиях неравномерного освещения или частичного затенения на протяжении достаточно длительного промежутка времени.
Использование таких схем связанно с ограниченностью площади размещения проектируемой
установки, стремлением к экономии места, или особенностями рельефа. При этом зачастую не
учитываются некоторые особенности работы модулей, что приводит к значительному снижению их и без того невысокой эффективности. Исследования, проведенные на многорядных
солнечных электростанциях (СЭС), показывают, что в зимний период года, из-за частичного
затенения нижних рядов, снижение среднемесячной энерговыработки составляет около 65%, а
в весенне-осенний - 25%, по сравнению с однорядными станциями. Также неравномерное
освещение возникает по причине факторов, не зависящих от проектирования, существенно
снижая эффективность СФУ. Примерами таких случаев может быть отброшенная тень от расположенной рядом постройки, деревьев, облаков и т.д.
Для достижения требуемой электрической мощности, в СФУ применяют последовательную, параллельную и смешанную коммутацию солнечных элементов (СЭ). В каждом варианте
коммутации, снижение эффективности от неравномерного освещения происходит по разным
причинам, что требует различных технических, экономически обоснованных решений для увеличения энерговыработки установок при работе в таких условиях. Данная диссертация посвящена этой актуальной проблеме, требующей скорейшего решения ввиду значительного увеличения количества СЭС в Российской Федерации и мире в последние годы, около 70 % из которых имеют конструкцию с многорядным расположением модулей с присущей ей проблемой
затенения нижних рядов при небольших значениях высоты солнца. Также необходимо отметить, что проблема частичного затенения существует на всех СФУ.
Степень разработанности. В настоящее время существует ряд способов, позволяющих
частично нивелировать проблему неравномерного освещения СФУ, однако их использование
зачастую не позволяет значительно повысить их энергоэффективность, ввиду того, что реше-
3
ние данной проблемы требует комплексного подхода.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение
энергетической эффективности солнечных фотоэлектрических установок, с различными вариантами коммутации фотоэлектрических модулей, за счет отбора максимальной мощности в
условиях неравномерного освещения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Провести теоретический анализ работы СФУ с различными вариантами коммутации СЭ и
применением устройств, реализующих способы повышения эффективности в условиях неравномерного освещения с разработкой математических моделей.
2. Разработать эффективный способ отбора электрической энергии от параллельно соединенных массивов фотоэлектрических модулей, работающих в условиях различной освещенности, и изготовить лабораторный макет устройства согласования массивов фотоэлектрических модулей (УСФМ), реализующий разработанный способ.
3. Разработать методику исследования работы СФУ в условиях неравномерного освещения.
Осуществить подбор необходимого оборудования, приспособлений и контрольноизмерительной аппаратуры. Разработать и изготовить информационно-измерительный комплекс для отображения, регистрации и хранения измерительной информации.
4. Провести экспериментальное исследование работы СФУ с различными вариантами коммутации СЭ и конструкций расположения фотоэлектрических модулей, а также с использованием устройств, реализующих способы повышения эффективности в условиях неравномерной освещенности: индивидуальными согласующими преобразователями и устройствами
согласования массивов фотоэлектрических модулей.
5. Оценить экономическую эффективность внедрения устройств согласования массивов фотоэлектрических модулей на солнечных электростанциях.
Объект исследования - солнечные фотоэлектрические установки и электростанции, работающие в условиях неравномерного освещения.
Предмет исследования - взаимосвязь энергетических и электрических характеристик
солнечных фотоэлектрических установок и электростанций с различными условиями освещенности при различных вариантах коммутации, конструкции расположения фотоэлектрических
модулей и способах отбора электрической энергии.
Научная новизна работы:
1. Получила развитие математическая модель СФУ, работающих в условиях неравномерной
освещенности, позволяющая производить расчет её энергетических характеристик и параметров при различных вариантах коммутации, конструкции, расположения фотоэлектрических модулей и способах отбора электрической энергии.
2. Впервые разработан эффективный способ отбора электрической энергии от параллельно соединенных массивов фотоэлектрических модулей, позволяющий увеличить энерговыработку СФУ, работающих в условиях неравномерной освещенности.
3. Усовершенствована методика проведения экспериментального исследования характеристик
СФУ позволяющая получать энергетические характеристики и параметры СФУ при различных вариантах коммутации, конструкции расположения фотоэлектрических модулей, раз-
4
личной освещенности, способах отбора электрической энергии с использованием разработанного информационно-измерительного комплекса.
4. Впервые получены экспериментальные данные от применения устройств согласования массивов фотоэлектрических модулей для повышения эффективности солнечных энергоустановок со смешанной коммутацией.
Практическая и теоретическая значимость. Материалы диссертационной работы могут быть использованы при проектировании фотоэлектрических станций, предполагающих работу в условиях неравномерного освещения, а также для внедрения на действующих станциях,
работающих в таких условиях, для повышения их энергетической эффективности.
1. Разработанные математические модели позволяют осуществить теоретический анализ энергетических и электрических характеристик СФУ с различными вариантами коммутации СЭ
и способами отбора электрической энергии от них при различных условиях освещенности,
что позволяет выбирать наиболее рациональное техническое решение из соображения получения максимальной энергетической эффективности для конкретных условий.
2. Внедрение на действующих СФУ разработанных устройств согласования массивов фотоэлектрических модулей, реализующих способ отбора электрической энергии от параллельно
соединенных массивов фотоэлектрических модулей с различной освещенностью, позволяет
значительно увеличить их энерговыработку, особенно при невысоких значениях высоты
солнца (в зимнее время), при финансовых затратах, не превышающих 1,2 % стоимости СФУ.
3. Разработанный и изготовленный информационно-измерительный комплекс позволяет, как в
полевых, так и лабораторных условиях без использования дополнительного оборудования
производить с высокой точностью в автоматическом режиме измерения и регистрацию различных электрических и энергетических характеристик СФУ, а также характеристик условий окружающей среды с их отображением в графическом и числовом виде.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», на действующих солнечных установках ООО «С.
Энерджи-Севастополь» и ООО «Эко Энерджи», что подтверждено соответствующими актами
внедрения.
Методы исследования. В работе использовались аналитические и экспериментальные
методы исследования, включающие математическое моделирование с использованием системы компьютерной алгебры Mathcad Prime 3, программирования, метод «светового эквивалента», метод математической обработки результатов эксперимента.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанный способ и устройство отбора электрической энергии от параллельно соединенных массивов фотоэлектрических модулей позволяет повысить их энерговыработку до
42,3%, при частичном затенении, за счет согласования по напряжению затененных и незатененных массивов.
2. Для согласования массивов фотоэлектрических модулей по напряжению не требуется преобразование всей вырабатываемой ими электрической энергии, в отличии от зарубежных
аналогов, а лишь её небольшой части, определяемой уровнем рассогласованности.
3. Разработанные математические модели позволяют производить оценку энергетической эф-
5
фективности и потерь электроэнергии СФУ, работающих в условиях неравномерного освещения, при различных вариантах коммутации, конструкции расположения фотоэлектрических модулей и способах отбора электрической энергии.
4. Разработанный портативный информационно-измерительный комплекс позволяет в реальном времени производить исследования энергетических характеристик СФУ, их диагностику и измерять параметры окружающей среды с относительной погрешностью, не превышающей 3,4%.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается соответствием аналитических данных, а также высокой повторяемостью экспериментальных данных, полученных в лаборатории возобновляемых источников энергии кафедры «Возобновляемые источники
энергии и электрические системы и сети» Севастопольского государственного университета и
действующих СЭС в г. Севастополе ООО «С. Энерджи-Севастополь» и в г. Самара ООО «Эко
Энерджи».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на: Международном молодежном конгрессе «Энергетическая безопасность» (г. Курск 24
декабря 2015 г.), II Всероссийской конференции «Энергоэффективность. Наука и образование»
(г. Севастополь, 28-29 октября 2015г.), 7-й Международной научно-технической конференции
молодых ученых и специалистов «Инновации в сельском хозяйстве» (г. Москва, 13-14 декабря
2016 г.), Международной научно-практической конференции «Экологическая, промышленная
и энергетическая безопасность – 2017» (г. Севастополь 11 по 15 сентября 2017 г.), Международной научно-технической конференции «Электротехнические комплексы и системы – 2017»
(г. Севастополь, 19-20 октября 2017 г.), семинаре «Экология и альтернативная энергетика» (18
октября 2017 г.), Ялтинской энергетической конференции (9-10 ноября 2017 г.), Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные машинные технологии и техника в
сельском хозяйстве» (12-13 декабря 2017 г.), XIII Международном салоне изобретений и новых
технологий «Новое время» (28-30 сентября 2017г. получен кубок «За лучшее молодежное
изобретение» и золотая медаль), конкурсе Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «УМНИК» (получен грант №9991ГУ/2015).
Публикации результатов. По теме диссертации опубликованы 12 печатных работ, в
том числе 4 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК, получен патент РФ на изобретение.
Структура диссертации и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х
разделов, заключения, списка сокращений, списка литературы и 8-ми приложений. Работа изложена на 186 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков, 12 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и поставлены основные задачи исследований, определены объект, предмет и методы исследования,
обозначены положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость
полученных результатов, а также основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о внедрении результатов исследования, апробации, публикациях, структуре и объеме
работы.
6
В первом разделе проведен обзор современного состояния и направлений развития фотоэнергетики, выполнен анализ основных технических средств повышения энергетической
эффективности промышленных СФУ и существующих способов отбора от них электрической
энергии в условиях неравномерной освещенности.
Специалистами различных стран, включая Россию, ведется работа по повышению эффективности СФУ. Большой вклад в этом направлении внесли А.Ф. Иоффе, Ж.И. Алферов,
В.С. Стребков, Г. Раушенбах, М. Принс, А.П. Ландсман, В.В. Харченко, В.А. Майоров и др.
В результате анализа было установлено, что одной из значительных проблем снижения
энергетической эффективности СФУ является неравномерная освещенность СЭ (рисунок 1).
Эта проблема существует на всех фотоэлектрических станциях и ограничивает возможности
использования ряда перспективных технических решений – солнечных концентраторов, многорядных конструкций и т.д.
Рисунок 1 – Затенение СЭ на солнечных электростанциях
Существующие способы отбора электрической энергии от СФУ, работающих в условиях
неравномерной освещенности, в ряде случаев не являются эффективными или экономически
оправданными решениями. Шунтирующие диоды отключают (шунтируют) группы СЭ, имеющие частичное затенение и приводят к рассогласованности по напряжению в точке максимальной мощности (ТММ) параллельные массивы фотоэлектрических модулей. ИСП значительно
увеличивают стоимость установок и также приводят к рассогласованности по напряжению параллельные массивы модулей. Микро-инверторы существенно увеличивают стоимость установок, снижают их эффективность в условиях равномерной освещенности и не могут быть использованы на существующих СЭС с центральным инвертором. Перестраиваемые коммутационные системы являются дорогим и неэффективным решением при небольшом количестве затенённых модулей. Дифференцированные системы отбора максимальной мощности также являются дорогостоящим, энергетически неэффективным решением.
На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.
Во втором разделе приведен теоретический анализ работы СФУ с различными вариантами коммутации СЭ и использованием устройств, реализующими способы повышения эффективности, в условиях неравномерного освещения с разработкой математических моделей.
Представлен анализ существующих эквивалентных схем замещения СЭ и соответствующих им уравнений, на основании которого была составлена математическая модель с точностью достаточной для инженерных расчетов. На основании выбранной модели была составлена математическая модель, описывающая рабочий режим равномерно освещенной СФУ с последовательной коммутацией:
7
(
[
[
)
(
)
(
]
)]
,
[
[
]
]
[
]
(
где
(1)
– ток нагрузки, А;
)
– фототок, А; I0 – обратный ток насыщения, А; q – заряд электрона,
Кл; U – выходное напряжение, В; k – постоянная Больцмана, Дж/К; T – температура СЭ, К;
– последовательное сопротивление СЭ, Ом; A – коэффициент идеальности СЭ;
– ток
короткого замыкания СЭ при стандартных условиях (СУ), А;
– температурный коэффициент тока короткого замыкания СЭ, А/К;
– температура при СУ, К; – интенсивность солнечного излучения, Вт/м2;
– интенсивность солнечного излучения при СУ, Вт/м2;
– напряжение холостого хода СЭ при СУ, В;
– температурный коэффициент напря-
жения холостого хода, В/К;
– температура окружающей среды, К;
– температурный коэффициент повышения температуры, К·м2/Вт;
– напряжение СФУ, В; – количество последовательно соединенных СЭ в СФУ.
Моделирование производилось в СКА Mathcad Prime 3 с использованием блоков решения. При вычислении ТММ использовался итерационный метод Левенберга-Маркварда, сочетающий в себе метод наискорейшего спуска и метод Ньютона.
Для теоретического анализа работы неравномерно освещенной СФУ с последовательной
коммутацией СЭ и шунтирующими диодами была выведена система уравнений, характеризующая ВАХ для общего случая затенения:
(
)
(
)
(
)
(
)
, (2)
(
)
где – количество групп, имеющих СЭ с различным освещением; , , … ,
– количество
СЭ в соответствующей группе;
,
,…,
– максимальный ток соответствующей
группы, А;
,
,…,
– фототок СФУ при интенсивность солнечного излучения в соответствующей группе, А.
8
Рабочий режим такой установки будет определяться
алгоритмом поиска ТММ, который, в зависимости от
применяемого алгоритма, установит отбор электрической энергии в точку абсолютного максимума (ТАМ),
определяемой уравнением (3), или точку локального
максимума (ТЛМ) (рисунок 2).
Рисунок 2 – Характеристика неравномерно освещенной СФУ с последовательной коммутацией СЭ
(3)
В случае установки режима отбора электрической энергии в ТЛМ, общие потери СФУ
характеризуются системой уравнений:
,
,
[
(
(
)
]
,
(4)
)
где – мощность группы СЭ, шунтированной диодами, Вт;
– мощность, рассеиваемая на шунтирующих диодах, Вт;
– алгоритмические потери, Вт;
– количество СЭ в группе, не
шунтированной диодом; z – количество СЭ, на один шунтирующий диод; – количество СЭ
шунтированных диодами;
– мощность в ТАМ, Вт;
– мощность в ТЛМ, Вт.
В случае установки режима отбора электрической энергии в ТАМ, потери СФУ характеризуются также системой уравнений (4) с условием, что
.
Было выполнено моделирование работы СФУ в условиях неравномерной освещенности
с ИСП, позволяющими осуществить отбор электрической энергии от каждого модуля в ТММ,
снижая потери затененных модулей
на величину
. Рабочий режим и значение потерь такой установки описываются системой уравнений:
∑
∑
[
(
)
]
,
[
]
(
[
(
(5)
)
)]
где
– напряжение на выходе ИСП, В;
– напряжение на входе ИСП, В;
– ток на
входе ИСП, А;
– КПД ИСП;
– количество СЭ на входе ИСП;
- интенсивность из2
лучения, наименее освещённого СЭ на входе ИСП, Вт/м ; =
– ток в СФУ, А.
9
Если в СФУ группа СЭ, имеющая неравномерное освещение, передает электрическую энергию через ИСП, а остальная
нормально освещенная группа без них, то характеристика такой
установки будет образована суммой характеристик каждой
группы относительно напряжения
, описываемые системами уравнений (1) и (5). На рисунке 3 представлено её изображение для случая, когда группа СЭ
с установленными ИСП
, имеет затенение.
Рисунок 3 – ВАХ СФУ с
Результаты моделирования работы 2-х фотоэлектрических
использованием ИСП
модулей KV-260M с изменяемой освещенностью одного из них и
согласующим преобразователем фирмы Tigo «Module Maximizer» представлены на рисунке 4:
а
б
Рисунок 4 – Результаты моделирования работы СФУ с ИСП
а – ВАХ ИСП при различных значениях интенсивности излучения; б – зависимость выходной
мощности СФУ от интенсивности излучения одного из модулей
Также было выполнено математическое моделирование параллельной работы СЭ, в
условиях равномерной и неравномерной освещенности. При равномерной освещенности, модель описывается системой уравнений (1) с учетом того, что значение тока на выходе такой
СФУ увеличится пропорционально количеству параллельно-соединенных СЭ.
При неравномерной освещенности СЭ значения напряжений в ТММ различны (рисунок 5) и
отбор электрической энергии от СФУ не представляется возможным в ТММ каждого СЭ. Значение
этой разницы вычисляется согласно уравнению
(6), а значение потерь мощность, вызванных ею
уравнением (7) в диапазоне расхождений интенсивностей излучения от 10 до 100 %.
Рисунок 5 – ВВХ параллельносоединённых СЭ
(
(
(
)
(
)
(
)
(
)
)
(6)
)
10
где
– напряжения в ТММ СЭ1 и СЭ2, В;
– токи нагрузки СЭ1 и СЭ2 в ТММ, А;
– фототок СЭ1 и СЭ2, А;
,
– обратные токи насыщения СЭ1 и
СЭ2, А.
[
[
(
)
]]
(7)
[
[
(
)
]]
Результаты моделирования зависимости потерь мощности и значений напряжений рассогласования СФУ, состоящей из 2-х параллельно-соединенных СЭ «КВАЗАР» серии К6М от
значения интенсивности излучения на одном из СЭ, при
постоянном освещении другого излучением интенсивностью 1000 Вт/м2, представлены на рисунке 6. Из результатов следует, что СЭ, имеюРисунок 6 – Графики зависимости потерь мощности (а) и
щий нормальную освещенразницы
напряжений (б) СЭ от интенсивности излучения
ность, теряет до 7,4% мощности в зависимости от освещенности затененного СЭ.
Было выполнено моделирование потерь мощности СФУ со смешанной коммутацией СЭ
при различном характере затенения – равномерном и неравномерном (рисунок 7), и установке
устройства поиска ТММ и оптимизации выходной мощности (ОММ) в ТАМ и ТЛМ.
а
б
Рисунок 7 – СФУ со смешанной коммутацией при
а – равномерном затенении; б – неравномерном затенении
1 – нормально освещенные СЭ; 2 – массив СЭ; 3 – СФУ; 4 - устройство поиска ТММ и оптимизации выходной мощности (ОММ); 5 - затененные СЭ
При равномерном затенении и установке ОММ в ТАМ суммарные потери мощности
СФУ характеризуется системой уравнений (8), значение напряжения рассогласования соотношением (9), а значение потерь, вызванных вследствие рассогласования соотношением (10):
11
[
[
[
(
(
)
)
]]
]]
[
[
[
(
[
)
]]],
,(8)
(
)
(
(
где
)
(
))
– потери СФУ, Вт;
мальное освещение;
и
– количество массивов СЭ, имеющих затенение и нор-
– количество параллельных соединенных массивов СЭ;
и
– фо-
тоток затененного и освещенного массива СЭ, А;
– значения напряжений в ТММ
параллельных массивов СЭ без затенения и с затенением, В;
и
– значения токов в
ТММ без затенения и с затенением, А.
,
(9)
(10)
,
где
,
.
Результаты моделирования потерь СФУ, состоящей из 3-х серийных фотоэлектрических
модулей PS-250, с равномерно затененным одним модулем, представлены на рисунке 8:
а
б
Рисунок 8 – Графики зависимости потерь СФУ со смешанной коммутацией и равномерном частичном затенении от интенсивности излучения в тени и установке ОММ в ТАМ при различной освещенности
а – потери от несогласованности по напряжению, б – значение напряжения рассогласования
При установке ОММ в ТЛМ, значение суммарных потерь СФУ будет характеризоваться
также системой уравнений (8), за исключением того, что значение выходного напряжения
СФУ будет определяться из уравнения:
(
)
12
(11)
Результаты моделирования той же СФУ для такого случая представлены на рисунке 9:
а
б
Рисунок 9 – Графики зависимости потерь СФУ со смешанной коммутацией и равномерном частичном затенении от интенсивности излучения в тени и установке ОММ в ТЛМ при различной освещенности
а – потери от несогласованности по напряжению, б – значение напряжения рассогласования
В случае неравномерного затенения группы СЭ, снижение мощности всей СФУ (
будет состоять из потерь мощности, вызванных снижением освещенности затененных групп
(
и потерь мощности ( ), вызванных различием значений напряжений массивов СЭ в
ТММ, содержащих освещенные и затененные группы. При этом, различие значений напряжений будет более существенно, чем в случае равномерного затенения, и, соответственно, доля
потерь, вызванных этим различием, будет больше.
Потери мощности, вызванные неравномерным освещением при таком характере затенения, в случае установки ОММ в ТАМ, характеризуются системой уравнений (12):
(
),
,
,
[
(
)
(
(
)
],
(
)
)
)
)
)
,
(
)
(
)
(
(
(
,
(12)
,
),
)
(
, при
,
(
(
(
(
, при
(
(
)), при
)
)), при
,
,
где
– напряжение в ТММ параллельного массива СЭ с частичным затенением, В;
– ток в ТММ параллельного массива СЭ с частичным затенением, А;
– токи в параллельно соединенных массивах СЭ без затенения и с затенением при напряжении СФУ
,
А;
– фототок массива СЭ при освещенности в области затенения, А;
– обратный ток насыщения СЭ при освещенности в области затенения, А;
– напряжение группы СЭ шунтированной диодом без затенения, В;
– количество не шунтированных СЭ в массиве с затенением.
13
Результаты моделирования потерь СФУ мощностью 7,5 кВт, состоящей из 3-х параллельно-соединенных массивов фотоэлектрических модулей, состоящих из последовательно соединенных 10-ти серийных поликристаллических модулей PS-250, с поочередным частичным
затенением модулей в одном из массивов, при установке алгоритма поиска ТММ в ТАМ, полученные в результате моделирования при СУ, представлены на рисунке 10, а для СФУ мощностью 30 кВт, состоящей из 12-ти параллельно-соединенных массивов, составленных из 10-ти
последовательно-соединенных фотоэлектрических модулей PS-250, полученные при тех же
условиях, изображены на рисунке 11.
а
б
Рисунок 10 – Графики зависимости потерь мощности и выходного напряжения СФУ мощностью 7,5 кВт от частичного затенения фотоэлектрических модулей одного из массивов
а
б
Рисунок 11 – Графики зависимости потерь мощности и выходного напряжения СФУ мощностью 30 кВт от частичного затенения фотоэлектрических модулей одного из массивов
На примере СФУ мощностью 30 кВт, видно, что частичное затенение 1-го модуля в массиве снижает почти на 40% его мощность, а более существенное затенение практически не
позволяет ему вырабатывать электрическую энергию.
В случае установки ОММ в ТЛМ, потери мощности
СФУ при неравномерном затенении массивов также будет
характеризоваться системой уравнений (12) с тем отличием,
что выходное напряжение определяется из уравнения (11).
Результаты моделирования такого случая для СФУ, состоящей из параллельно-соединенных массивов СЭ, составленных из 10-ти последовательно соединенных модулей PS-250,
представлены на рисунке 12.
Рисунок 12 – Графики завиТакже было выполнено моделирование потерь мощсимости потерь мощности
СФУ от частичного затенения ности СФУ с разработанным УСФМ, описываемое системой
модулей одного из массивов
уравнений (13):
14
(
)
(
[
)
(
)
(
(
,
(13)
)
)
(
где
]
(
)
)
– КПД УСФМ.
Рисунок 13 – Графики зависимости
потерь мощности СФУ от частичного
затенения фотоэлектрических модулей одного из массивов
1 – с УСФМ; 2 – состоящей из 3-х
массивов СЭ и установке ОММ в
ТАМ; 3 – состоящей из 10-ти массивов СЭ и установке ОММ в ТАМ;
4 – при установке ОММ в ТЛМ
Сводные графики потерь мощности СФУ, состоящей из параллельно-соединенных массивов СЭ,
образованных из последовательно-соединенных 10ти фотоэлектрических модулей PS-250 при их частичном затенении, полученные в результате математического моделирования, представлены на рисунке
13. Из графиков видно, что установка УСФМ значительно снижает энергетические потери СФУ при частичном затенении СЭ, что существенно повышает
её энерговыработку в таких условиях. Особо значительный эффект от использования УСФМ достигается при использовании в СФУ, состоящих из большого количества параллельных массивов СЭ, или там,
где ОММ использует алгоритмы поиска ТММ, устанавливающие режим отбора электрической энергии
не в ТАМ.
В третьем разделе приведено описание способа согласования параллельно-соединенных массивов фотоэлектрических
модулей и возможности реализации этого способа, в виде
УСФМ. Описывается разработка и сборка основных функциональных элементов устройства.
Сущность способа поясняется рисунком 14 и заключается в том, что для отбора максимальной мощности от
массивов (1), выполняют их согласование по напряжению
посредством включения в каждый из них (нуждающихся в
согласовании) дополнительных элементов питания (2),
напряжение которых регулируется при помощи электронного вычислительного устройства (5), до значения, при кото-
15
Рисунок 14 – Схема включения УСФМ в СФУ
ром мощность СФУ будет максимальна. Электрическую энергию в дополнительный элемент
питания подают от этих же массивов, обеспечив гальваническую развязку. Одновременно с
этим отслеживается ТММ и выполняется её оптимизация при помощи ОММ (3).
Важной особенностью данного способа является то, что для согласования массивов не
требуется преобразование всей вырабатываемой ими электрической энергии, а лишь её небольшой части, определяемой уровнем рассогласованности по напряжению в ТММ.
Функциональная схема УСФМ, реализующая данный способ, представлена на рисунке
15, согласно которой была разработана принципиальная схема и программа для работы микроконтроллера, а алгоритм работы программы, основанный на методе "Возмущение и наблюдение" изображен на рисунке 16:
Рисунок 15 – Функциональная схема УСФМ
1 – высокочастотный преобразователь с гальванической развязкой; 2 – понижающий преобразователь постоянного напряжения (силовой); 3 – повышающий преобразователь постоянного
напряжения (соловой); 4 – устройство управления преобразователями постоянного напряжения; 5 – дисплей; 6 – электронно-вычислительное устройство; 7 – реле; 8 – понижающий преобразователь постоянного тока (слаботочный); 9 – датчик напряжения; 10 – датчик тока
Рисунок 16 – Алгоритм работы ЭВУ
(I1, I2, …, I6 – токи массивов фотоэлектрических модулей при различных напряжениях на выходе УСФМ; Uфм1, Uфм2 – напряжения массива фотоэлектрических модулей до и после регулирования УСФМ; UDC – напряжение на выходе УСФМ)
16
На рисунке 17 показан общий вид УСФМ и размещение его функциональных элементов
в корпусе:
Рисунок 17 – Размещение функциональных элементов в корпусе и общий вид УСФМ
Экспериментальный макет УСФМ позволяет в автоматическом и ручном режиме выполнять согласование массивов фотоэлектрических модулей в диапазоне расхождения напряжения 2-90 В с выходным током до 9 А, что соответствует 9-ти шунтированным группам, или
3-м серийным фотоэлектрическим модулям типа KV-260, PS-250, KV-245 и др., используемыми на большинстве промышленных СЭС.
В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований работы СФУ в
условиях равномерной и неравномерной освещенности при различных схемах коммутации фотоэлектрических модулей и способах отбора электрической энергии. Описана методика проведения экспериментального исследования, состоящего из 9-ти этапов, с оценкой погрешностей
экспериментальных данных, результатом которой являются электрические характеристики фотоэлектрических установок для условий, представленных в таблице 1. Рассчитана экономическая эффективность от внедрения УСФМ на СЭС с различными вариантами конструкций блочной вертикальной 3-х рядной (на примере «Севастопольской» СЭС) и 4-х рядной горизонтальной (на примере СЭС «Николаевка»).
Таблица 1 – Этапы эксперимента
№ п/п Вариант коммутаОсвещённость
этапа
ции
1
равном., различная
2
последовательная
равном., постоянная
3
последовательная част. затен., различная
4
последовательная част. затен., различная
5
параллельная
равном., различная
6
смешанная
равном., различная
7
смешанная
равном., различная
8
смешанная
част. затен, постоянная
9
смешанная
част. затен, постоянная
Температура
различная
различная
постоянная
постоянная
различная
различная
различная
постоянная
постоянная
Дополнительные
элементы
ИСП
УСФМ
УСФМ
Исследования были выполнены на действующих СЭС и установках г. Севастополя
17
(ООО «С. Энерджи-Севастополь») установленной мощностью 2,9 МВт, г. Самары (ООО «Эко
Энерджи»), в лаборатории Возобновляемых источников энергии СевГУ и др.
Измерения
интенсивности
солнечного излучения, температуры
модулей и окружающей среды, а
также снятие ВАХ и ВВХ проводились посредством разработанного
информационно-измерительного
комплекса (ИИК), позволяющего в
автоматическом режиме производить указанные измерения с их региРисунок 18 – Структурная схема ИИК
страцией и отображением в графи1 – СФУ; 2 – датчик тока; 3 – датчик напряжения;
4 – специальная регулируемая нагрузка; 5 – датчик
ческом виде. Относительная потемпературы СФУ и ОС; 6 – микроконтроллер;
грешность измерений, проводимых
7 – электронный накопитель; 8 – сенсорный графичепосредством ИИК, не превышает 3,4
ский дисплей; 9 – интерфейсный микроконтроллер;
%. Его структурная схема представ10 – персональный компьютер; 11 – датчик освещенности
лена на рисунке 18:
Измерения напряжений производились тремя цифровыми мультиметрами UNI-T UT39B,
имеющими погрешность ± (0,5 % +1 ед. счета) в диапазоне от 200 мВ до 1000 В. Значения токов измерялись двумя мультиметрами APPA 503 (включен в Госреестр СИ под номером 4926612 до 17.02.22 г.) с погрешностью измерений постоянного тока: ± (0,2 % + 40 ед. счета) в диапазоне от 40 мА до 10А. Электрические параметры на входе и выходе инверторов контролировались через встроенное табло индикации.
В экспериментах на СЭС, нагрузкой являлась сеть, в которую поступала выработанная
электрическая энергия через инверторы с функцией ОММ. Таким образом, нагрузка на СФУ
устанавливалась автоматически. Однако регулирование нагрузки только ОММ не является достаточным, так как оно регулирует нагрузки всех параллельных массивов. В связи с этим в качестве нагрузки отдельных модулей также были использованы реостаты РСПС-3-19 и РЗВ-31Б,
последовательно которым был включен амперметр.
1-й этап эксперимента проводился с целью
верификации выбранной математической модели
работы СЭ (1). На рисунке 19 представлены его
результаты, показывающие, что отклонение выходных параметров СЭ не превышает 1,8 %, что
говорит о достаточно высокой точности математической модели.
На 2-м этапе были получены экспериментальные характеристики СФУ, состоящие из поРисунок 19 – ВАХ СЭ производства следовательно-соединенных СЭ, при их равномерном освещении. На рисунке 20 (кривая 2) пред«КВАЗАР» серии К6М
18
ставлены его результаты для СФУ, состоящей из 6-ти последовательно-соединенных фотоэлектрических модулей PS-250:
а
б
Рисунок 20 – Экспериментальные характеристики СФУ в различных условиях освещенности
1 – равномерно освещенная СФУ с ПСК; 1' – на один модуль не поступает излучение от ПСК;
1'' – на два модуля не поступает излучение от ПСК; 2 – равномерно освещенная СФУ, 3 – на
один модуль не поступает излучение от ПСК с ИСП, 4 – частично затененная СФУ с ИСП,
5 – равномерно освещенная СФУ с ИСП, 6 – частично затененная СФУ без ИСП
3-й этап эксперимента состоял из двух частей - сначала снималась ВАХ СФУ, в нижней
части которой располагались плоские солнечные концентраторы (ПСК), затем снималась ВАХ
СФУ с тремя частично затененными в нижней части СЭ (процент затенения составлял 10 %,
интенсивность солнечного излучения в тени ~ 100 Вт/м2). ПСК между снятием характеристик
перемещался таким образом, относительно модулей, чтобы отраженное от него излучение поступало равномерно на все модули, затем на все, кроме 1-го, а после – на все, кроме 2-х. На рисунке 20 изображены экспериментальные характеристики установки, состоящей из 6-ти фотоэлектрических модулей PS-250, работающей в таких условиях (кривые 1, 1', 1'' и 6).
Из полученных экспериментальных характеристик видно, что эффект от ПСК достигается
только в том случае, когда отраженное от него излучение поступает равномерно на все модули.
В случаях, когда отраженное излучение не поступает хотя бы на один модуль – максимальная
мощность СФУ не превышает мощности, получаемой без использования ПСК. Опыт с частичным затенением показал, что при уменьшении нагрузки до тока, равному току затененных модулей, происходит запирание шунтирующих диодов и, как следствие, резкое увеличение
напряжения на выходе СФУ, но при этом её выходная мощность значительно ниже ТММ.
Для исследования работы СФУ с
ИСП в условиях неравномерной освещенности был проведен 4-й этап эксперимента. На рисунке 21 изображена схема экспериментальной установки, состоящей из
шести вертикально расположенных фотоРисунок 21 – Исследование работы СФУ с ИСП электрических модулей PS-250, соединен1 – фотоэлектрический модуль PS-250,
ных последовательно. Параллельно менее
2 - ИСП, 3 – ПСК, 4 – затенение, 5 – нагрузка
освещенным модулям подключен ИСП.
Экспериментальные характеристики, полученные в результате эксперимента, изображены на
19
рисунке 20 (кривые 3, 4 и 5). Из характеристик видно, что при неравномерном освещении ИСП
позволяют получить большее количество энергии от СФУ. Особенно ощутимый прирост
наблюдается при использовании в комплексе с ПСК.
В 5-м этапе эксперимента были получены экспериментальные ВАХ СФУ, состоящей из
2-х параллельно-соединенных СЭ «КВАЗАР» серии К6М, при различных значениях интенсивности излучения на одном и постоянном значении на другом СЭ, а также ВАХ каждого СЭ
установки. Из полученных характеристик были определены значения энергетических потерь и
значения разницы напряжений в ТММ (отмечены точками на рисунке 6), вызванные различной
освещенностью. Было установлено, что в таких условиях мощность установки снижается на
величину до 7,5%.
В 6-м и 7-м этапах эксперимента были получены экспериментальные характеристики
(рисунок 22) и графики дневной энерговыработки (рисунок 23а) массива из 18-ти фотоэлектрических модулей KV-260M на «Севастопольской» СЭС, имеющего равномерное затенение
СЭ (рисунок 7а), включенного параллельно 20-ти таким же массивам, не имеющих затенения,
с установленным УСФМ (кривая 3) и без него (кривая 8). УСФМ было размещено в соединительных щитах электростанции (рисунок 24).
а
б
Рисунок 22 – Экспериментальные характеристики массива фотоэлектрических модулей
1 – без затенения; 2 – с частичным затенением и блочной вертикальной коммутацией; 3 – с частичным затенением и рядной вертикальной коммутацией; 4 – с частичным затенением и
блочной горизонтальной коммутацией; 5 - с частичным затенением и рядной горизонтальной
коммутацией; 6 - с частичным затенением, горизонтальной блочной коммутацией и УСФМ;
7 – с частичным затенением, горизонтальной рядной, или блочной вертикальной коммутации с
УСФМ; 8 – с частичным затенением, рядной вертикальной коммутацией и УСФМ
а
б
Рисунок 23 – Дневная энерговыработка массива фотоэлектрических модулей
а – при равномерном частичном затенении; б – при неравномерном частичном затенении
20
Исследования показали, что использование УСФМ при таком характере затенения и
коммутации позволяет увеличить выходную
мощность массива до 22 %, а суточную энерговыработку на 8,7%.
8-й и 9-й этапы эксперимента были проведены аналогично 6-му и 7-му этапу с той разницей, что исследуемый массив модулей работал в
условиях неравномерного затенения (рисунок
7б), создаваемого посредством непрозрачного
Рисунок 24 – Размещение УСФМ в соединительном щите «Севастопольской» СЭС экрана прямоугольной формы. Перемещением
экрана изменялась площадь затенения, соответствующая характеру затенения при горизонтальной и вертикальной блочной, а также горизонтальной рядной коммутации модулей. На рисунке 22, представлены полученные характеристики, а на рисунке 23б – графики измеренной суточной энерговыработки. Также в рамках данных
этапов было проведено исследование зависимости энергетических потерь массива модулей в
зависимости от количества шунтированных затененных модулей. Результаты этого исследования приведены на рисунке 25.
Исследования показали, что использование УСФМ позволяет значительно увеличить
энерговыработку массивов модулей, работающих в условиях частичного затенения. Так при
частичном затенении 2-х модулей из 18-ти,
среднесуточные потери электроэнергии составляют более 40%, а при большем затенении модули практически не способны работать без
устройства.
Расчёт экономической эффективность от
внедрения УСФМ на СЭС с различными вариРисунок 25 – График зависимости потерь
мощности массива фотоэлектрических мо- антами конструкций - блочной вертикальной 3х рядной (на примере «Севастопольской» СЭС)
дулей от количества затененных модулей
«Севастопольской» СЭС
и 4-х рядной горизонтальной (на примере СЭС
«Николаевка») показал, что срок окупаемости 1-го варианта составляет около трех, а второго –
около полутора лет, со среднегодовой прибылью 1,226 и 18,824 млн руб. соответственно. В
таблице 2 приведены рассчитанные экономические показатели внедрения УСФМ.
Таблица 2 – Экономические показатели внедрения УСФМ
,
,
,
З,
,
СЭС
млн
млн
млн
млн
шт.
руб.
руб.
руб.
руб.
«Севастопольская» 515
5,874
7,1
1692,92 2046,16 1,226 3,649
«Николаевка»
3827 176,86 195,684 50968,19 56392,96 18,824 27,114
где – количество УСФМ, устанавливаемое на СЭС;
– доход СЭС без УСФМ
21
Т,
г.
≈3
1,44
и с его
использованием соответственно;
,
– объем электроэнергии, отпущенной СЭС в энергопринимающие устройства без УСФМ и с его использованием; – годовая экономическая прибыль от внедрения УСФМ; З – затраты на внедрение УСФМ; Т – срок окупаемости УСФМ.
ВЫВОДЫ
1.
Результаты проведенного теоретического анализа работы СФУ с различными вариантами коммутации фотоэлектрических модулей и применением устройств, реализующих способы
повышения эффективности в условиях неравномерного освещения, позволяют производить
оценку их энергоэффективности при работе в различных условиях окружающей среды, а также
обоснованно применять устройства, реализующие различные способы повышения эффективности. Составленные на основе анализа математические модели с использованием, позволяют
определять значения энергетических характеристик СФУ, на основе показателей, учитывающих комплексное воздействие интенсивности солнечного излучения, температуры, коммутации, конструкции и использовании различных способов отбора электрической энергии.
2.
Изобретенный эффективный способ отбора электрической энергии от СФУ с параллельно соединенными массивами фотоэлектрических модулей, в условиях неравномерной освещенности, позволяет значительно увеличить её энерговыработку за счет согласования по
напряжению массивов в ТММ. Важной особенностью данного способа является то, что для согласования не требуется преобразование всей вырабатываемой массивами электрической энергии, а лишь небольшой части, определяемой уровнем рассогласованности.
Разработанный лабораторный макет УСФМ, реализующий изобретенный способ, позволяет в автоматическом и ручном режиме выполнять согласование массивов в диапазоне расхождения напряжения до 90 В с выходным током до 9 А.
3.
На основе разработанной методики исследования работы СФУ в условиях неравномерного освещения, была создана экспериментальная установка, осуществлен подбор необходимого оборудования, приспособлений и контрольно-измерительной аппаратуры. Разработан и
изготовлен ИИК, позволяющий в автоматическом режиме производить изменение нагрузки с
измерением, регистрацией и отображением в графическом и численном виде значений напряжения, тока, освещенности, температуры окружающей среды и СФУ. Проведена оценка погрешности измерений и экспериментальных данных, свидетельствующая о достаточно точных
результатах измерений – относительная погрешность не превысила 3,4 %.
4.
Результаты проведенного экспериментального исследования работы СФУ с различными
вариантами коммутации СЭ и конструкций расположения фотоэлектрических модулей, а также с использованием устройств, реализующих способы повышения эффективности в условиях
неравномерной освещенности, показывают соответствие результатов математического моделирования. Расхождение теоретических и экспериментальных результатов не превышает 8,5 %.
5.
Оценка экономической эффективности внедрения УСФМ на СЭС с различными вариантами конструкций - блочной вертикальной 3-х рядной (на примере «Севастопольской» СЭС) и
4-х рядной горизонтальной (на примере СЭС «Николаевка») показывает, что срок окупаемости
первого варианта составляет около трех, а второго – около полутора лет, со среднегодовой
прибылью 1,226 и 18,824 млн руб. соответственно.
22
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и приравненные к ним
1.
Кузнецов, П.Н. Повышение эффективности работы фотоэлектрических преобразователей при последовательном подключении / П.Н. Кузнецов, Л.Ю. Юферев // Вестник аграрной
науки Дона. – 2017. – №37. – С. 15-25.
2.
Кузнецов, П.Н. Повышение эффективности работы фотоэлектрической станции / П.Н.
Кузнецов, В.А. Сафонов // Энергобезопасность и энергосбережение. – 2016. – №3. – С. 26-30.
3.
Стаценко, И.Н. Универсальный измерительный модуль для определения технического
потенциала солнечной тепловой и электрической энергии / И.Н. Стаценко, В.Ю. Бурлаченко,
С.Д. Иванов, П.Н. Кузнецов // Системы контроля окружающей среды. – 2016. – №3 (23). – С.
38-41.
4.
Кузнецов, П.Н. Повышение эффективности работы фотоэлектрических преобразователей при последовательном подключении / П.Н. Кузнецов, Л.Ю. Юферев // Вестник ВИЭСХ. –
2017. – №1 (26). – С. 90-97.
Патенты на изобретения:
5.
Кузнецов, П.Н. Способ отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических
преобразователей / П.Н. Кузнецов, А.А. Борисов: Пат. РФ 2634590, МПК H02J 7/35, G05F 1/67,
Заявлено 26.09.2016; Опубл. 01.11.2017 Бюл. №31.
Публикации в других изданиях
6.
Кузнецов, П.Н. Разработка лабораторного макета устройства согласования фотоэлектрических модулей / П.Н. Кузнецов, Д.С. Авдеев // Электротехнические комплексы и системы –
2017. – 2017. – С. 45-46.
7.
Кузнецов, П.Н. Разработка устройства повышения эффективности фотоэлектрических
установок / П.Н. Кузнецов // Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность –
2017. – 2017. – С. 728-732.
8.
Кузнецов, П.Н. Разработка инвертора синусоидального напряжения с автоматической
синхронизацией с сетью для фотоэлектрической установки / П.Н. Кузнецов, Д.С. Авдеев, Р.Ш.
и др. // Энергетические установки и технологии. – 2017. – №1. – С. 51-56.
9.
Кувшинов, В.В. Установки для солнечной энергетики: монография / В.В. Кувшинов,
Н.В. Морозова, П.Н. Кузнецов. – М.: Издательство "Спутник+", 2017. – 177 с.
10.
Кузнецов, П.Н. Интеллектуальное устройство отбора максимальной мощности и согласования фотоэлектрических модулей / П.Н. Кузнецов // Сборник XIII Международного салона
изобретений и новых технологий «Новое время». – 2017. – С. 31-32.
11.
Кузнецов, П.Н. Портативное автоматизированное устройство измерения характеристик
и параметров фотоэлектрических преобразователей / П.Н. Кузнецов // Сборник XIII Международного салона изобретений и новых технологий «Новое время». – 2017. – С. 69-71.
12.
Кузнецов, П.Н. Энергетические возможности и состояние возобновляемых источников
энергии в Крыму / П.Н. Кузнецов, В.А. Сафонов // Энергоэффективность. Наука и образование.
– М.: 2015. – С. 75-79.
23
_________________________________
Подписано к печати 27.04.2018г. Объём 1 печ. л. Тираж 120 экз. Зак №
_________________________________________________________________
Тип. СевГУ. 644047 Севастополь, ул. Курчатова 3
24
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа