АНАЛИЗ  ВЛИЯНИЯ  ТЕМПЕРАТУРЫ  НА  РАБОЧИЙ  РЕЖИМ  ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  СОЛНЕЧНОЙ  СТАНЦИИ

Джумаев  Аганияз  Ягшиевич

канд.  физ.-мат.  наук,  проректор  по  научной  работе,  Государственный  энергетический  институт  Туркменистана,  Республика  Туркменистан,  г.  Мары

E-mail: 

THE  ANALYSIS  OF  INFLUENCE  OF  TEMPERATURE  ON  OPERATING   CONDITIONS  PHOTO-ELECTRIC  SOLAR  STATION

Aganiyaz  Jumayev

cand.  Sci.  Sciences,  PhD,  Vice-Rector  State  energy  institute  of  Turkmenistan,  Republic  of  Turkmenistan,  Mary

АННОТАЦИЯ

В  работе  исследуется  изменение  эффективности  использования  солнечной  энергии  при  условии  жаркого  климата  Туркменистана.  Проведено  исследование  влияния  температуры  на  режим  работы  фотоэлектрической  солнечной  станции  с  мощностью  2  кВт  построенной  в  Государственном  энергетическом  институте  Туркменистана.  Получены  изменения  энергетических  параметров  солнечной  станции  при  учете  климатических  особенностей  Туркменистана.

ABSTRACT

This  research  is  about  efficiency  change  of  the  solar  energy  usage  of  Turkmenistan.  This  research  is  conducted  at  temperature  influence  on  work  conditions  of  the  photoelectric  solar  station  with  capacity  of  2  kW  built  in  The  State  Energy  Institute  of  Turkmenistan.  Considered  climatic  conditions  of  Turkmenistan,  energy  parameter  changes  of  solar  station  are  derived.

Ключевые  слова:  фотоэлектрическая  солнечная  станция;  температура;  мощность;  эффективность.

Keywords:   photoelectric  solar  station;  temperature;  capacity;  efficiency.

Перспективы  использование  солнечной  энергии  в  Туркменистане  является  одной  из  ключевых  тем,  развития  альтернативной  энергетики.  Использование  солнечной  энергии,  возможности  создания  крупномасштабных  производств  для  этой  перспективной  отрасли  требует  решение  множество  фундаментальных  научных  проблем  и  прикладных  задач.  Повышение  эффективности  использования  фотоэлектрических  солнечных  станций,  является  весьма  актуальной  проблемой,  решение  которой  позволить  улучшить  технико-экономические  характеристики  солнечного  энергетического  оборудования,  оптимизировать  его  энергетические  параметры  и  режимы  работы  с  учетом  изменяющейся  нагрузки  и  энергии  солнечного  излучения. 

В  условиях  Туркменистана  эффективность  практического  использования  солнечной  энергии  во  многом  зависит  от  того,  насколько  точно  при  проектных  разработках  были  учтены  закономерности  изменения  солнечной  радиации  в  месте  предполагаемой  эксплуатации  фотоэлектрической  солнечной  станции.

Хотя  Туркменистан  располагает  огромными  возможностями  для  широкого  использования  возобновляемых  источников  энергии,  в  силу  низкой  стоимости  электроэнергии  для  потребителей,  стоимость  электроэнергии  получаемой  от  фотоэлектрических  солнечных  станций,  в  большинстве  случаев  превышает  стоимость  электроэнергии,  получаемой  традиционными  способами.  Климатические  условия  и  низкий  коэффициент  полезного  действия  (КПД)  фотоэлектрических  преобразователей  (ФЭП)  приводит  повышения  стоимости  электроэнергии  вырабатываемой  солнечной  станцией.  Кроме  этого,  отсутствие  солнечного  излучения  в  ночные  часы,  и  не  устойчивый  характер  интенсивности  солнечного  излучения  в  дневное  время,  требует  аккумулировать  поступающую  электроэнергию,  что  также  повышает  ее  стоимость.

В  Туркменистане,  расположенной  в  зоне  пустынь,  климат  резко  континентальный,  жаркий  и  сухой,  интенсивность  солнечного  излучения  по  сезонам  сильно  отличается.  Снижения  стоимости  электроэнергии  производимой  фотоэлектрическими  солнечными  станциями  предполагает  уменьшение  площади  ФЭП,  для  этого  необходимо  повысить  КПД.  При  эксплуатации  солнечных  станций  увеличение  КПД  фотоэлектрических  преобразователей  приводить  к  повышению  их  стоимости,  следовательно  снижение  стоимости  производимой  электроэнергии  будет  незначительно,  и  в  Туркменистане  по  сравнению  дешевой  сетевой  электроэнергии  будет  оставаться  все  еще  выше  стоимости  электроэнергии  вырабатываемой  традиционным  способам  [1]. 

Использование  концентраторов  солнечного  излучения  и  систем  слежения  за  Солнцем  может  снизить  стоимость  производимой  электроэнергии  фотоэлектрической  станцией.  Положительный  эффект  при  этом  достигаются  не  только  за  счет  увеличения  производимой  мощности  фотоэлектрических  преобразователей,  но  и  за  счет  увеличения  производимой  электроэнергии  за  равное  дневное  время. 

На  практике  применение  концентраторов  солнечного  излучения  встречается  с  несколькими  противоречиями.  С  повышением  коэффициента  концентрации  увеличивается  интенсивность  солнечного  излучения  на  поверхности  фотоэлектрического  преобразователя,  что  приводить  к  увеличению  температуры  поверхности  ФЭП  и  соответственно  уменьшается  его  КПД.  А  в  условиях  Туркменистана  так  в  обычных  состояниях  ФЭП  нагреваются  до  очень  высоких  температур.  С  точки  зрения  теории  это  противоречие  может  быть  разрешено  путем  отвода  теплоты,  что  может  привести  даже  некоторому  дополнительному  эффекту.  Эксплуатация  фотоэлектрической  солнечной  станции  показала,  на  практике  это  пока  неосуществимо,  так  как  недостаточно  исследованы  не  только  устройство  отвода  теплоты  от  батарей  фотоэлектрических  преобразователей,  но  и  отсутствует  и  научно  обоснованные  зависимости  КПД  ФЭП  от  температуры,  а  также  зависимости  температуры  под  солнечной  панелью  от  его  параметров  и  характеристик  солнечного  излучения. 

Устройство  слежения  за  солнцем  позволяет  повысить  эффективность  использования  солнечной  станции  в  течении  светового  дня.  Нами  было  сконструировано  устройство  слежения  за  солнцем  и  проведены  исследования,  которые  показали,  что  коэффициент  использования  энергии  солнечного  излучения  увеличивается  в  1,4  раза  в  зимние  месяцы  и  в  1,9  раза  в  летние  [4;  5].  Количество  электрической  энергии  производимой  этой  установкой  в  течении  одного  дня  при  фиксированном  и  следящем  режиме  соответственно  равны  3,68  Вт/ч  и  7,22  Вт/ч.  Практически  применение  системы  слежения  в  свою  очередь  ведет  к  увеличению  потребления  электроэнергии  на  ее  привод.  А  это  приводить  к  снижению  эффективности  использования  солнечной  электростанции  для  маломощных  потребителей.  Кроме  этого  требуемая  точность  слежения  взаимосвязана  с  типом  и  конструкцией  концентратора.  При  этом,  необходимая  точность  слежения  определяется  параметрами  электрической  нагрузки.  Все  эти  весьма  сложные  процессы  еще  достаточно  не  исследованы,  что  не  позволяет  получать  максимальный  эффект. 

В  рабате  [2]  исследовано  влияние  температуры  на  энергетические  характеристики  солнечных  панелей  в  различных  условиях,  а  также  использованы  наиболее  распространенные  и  надежные  модели,  позволяющие  определить  температуру  поверхности  солнечной  панели  в  зависимости  от  температуры  окружающей  среды. 

Исследование  проводились  в  фотоэлектрической  солнечной  станции  с  мощностью  2  кВт  построенной  в  Государственном  энергетическом  институте  Туркменистана,  состоящая  из  16  фотоэлектрических  солнечных  панелей  на  130  Вт.  Фотоэлектрическая  солнечная  станция,  кроме  фотопреобразователя-солнечные  панели,  содержит  8  аккумуляторных  батарей  на  200  А/ч,  контроллер  солнечной  батареи  и  инвертор,  обеспечивающий  преобразование  постоянного  низковольтного  тока  от  аккумуляторов  и  фотопреобразователей  к  бытовому  или  промышленному  стандарту.  Проведены  измерение  температуры  поверхности  солнечных  панелей  в  течении  солнечного  дня  в  разные  сезоны  года  при  различных  нагрузках.  Измерение  проводились  в  последовательно  соединенных  4  фотоэлектрических  панелях  при  различных  нагрузках. 

Используя  зависимость  температуры  поверхности  солнечной  панели  от  температуры  окружающей  среды

T_{p i}  =  T_возд  +  E_i/800  (  T_n.экс  –  20⁰C)

где:  T_{p i}  —  температура  поверхности  солнечной  панели,  градус  C, 

E_i  —  приход  солнечного  излучения, 

T_возд  —  температура  окружающей  среды  в  расчетной  точке,  градус  C, 

T_n.экс  —  нормальная  температура  эксплуатации  солнечной  панели,  было  вычислено  температура  поверхности  солнечной  панели  для  конкретного  солнечного  дня  определенного  месяца.  При  этом  приход  солнечного  излучения  для  г.  Мары  были  взяты  из  базе  данных  Национального  агентства  по  аэронавтики  и  исследованию  космического  пространства  США  NASA  SSE  (NASA  Surface  meteorology  and  Solar  Energy)  [3],  а  в  качестве  температура  окружающей  среды  в  расчетной  точке  были  взяты  измеренная  температура  воздуха  под  солнечной  панели.  Результаты  расчетов  и  измеренные  температуры  поверхности  солнечной  панели  и  температуры  воздуха  под  солнечной  панели  представлены  на  рисунке  1.  На  рисунке  2  представлены  измеренные  температуры  поверхности  солнечной  панели  в  различных  климатических  условиях.  При  этом  КПД  солнечной  панели  определяется  согласно  зависимости:

η_pi   =  η₀  (  1-  0,0045∙(T_pi  –  25))

где:  η_pi   —  КПД  солнечной  панели,  %, 

η₀  —  КПД  солнечной  панели  при  температуре  25  ⁰C,  %, 

T_pi  —  температура  поверхности  солнечной  панели,  ⁰C.  На  рисунке  1  представлено  изменение  температуры  солнечной  панели  в  зависимости  от  солнечной  радиации  и  температуры  окружающей  среды  полученные  прямым  измерением  на  поверхности  солнечной  панели  и  вычисленные  по  формуле  для  T_pi,  также  показано  изменение  температуры  воздуха  под  солнечной  панели  в  течении  солнечного  дня  определенного  месяца.  При  этом  измеренные  и  вычисленные  значения  температуры  поверхности  солнечной  панели  сильно  отличаются  утренние  и  вечерние  время  и  приближаются  в  часы  максимальной  выработки  энергии  солнечной  панели.  Измеренные  значения  температуры  поверхности  солнечной  панели  показали,  что  в  солнечные  дни  зимнее  время  температура  поверхности  достигает  до  40  ⁰C,  а  в  летнее  время  до  70  ⁰C.  Как  видно  из  рисунка  3  КПД  солнечной  панели  полученный  на  основании  измеренных  значений  температуры  поверхности  солнечной  панели  и  из  расчетных  значений  температуры  поверхности  приблизительно  совпадает. 

Рисунок  1.  Расчетные  значения  и  измеренные  температуры  поверхности  солнечной  панели  и  температуры  воздуха  подсолнечной  панели

Рисунок  2.  Полученные  в  результате  исследований  значения  температуры  поверхности  солнечной  панели  в  различных  климатических  условиях

Рисунок  3.  КПД  солнечной  панели  полученный  на  основании  измеренных  значений  температуры  поверхности  солнечной  панели  и  из  расчетных  значений  температуры  поверхности

График  изменения  КПД  солнечной  панели  фотоэлектрической  панели  полученный  в  течении  солнечного  дня  в  разные  времена  года  показан  на  рисунке  4.  Результаты  показали,  что  сезонные  изменения  погоды  при  солнечной  погоде  влияет  на  энергетические  параметры  фотоэлектрической  станции,  при  этом  температура  панелей  в  летнее  время  нагреваются  до  температуры  70⁰  C  и  выше.  Полученные  данные  показали,  что  КПД  солнечной  панели  в  жаркое  время  в  течении  года  снижается  на  8—21  %.  Зимой  солнечный  панель  нагревается  до  температуры  40  ⁰C,  при  этом  КПД  фотоэлектрической  солнечной  станции  снижается  на  7—8  %,  а  летом  температура  поверхности  достигает  до  70⁰  C  при  КПД  уменьшается  на  20—21  %. 

Рисунок  4.  КПД  фотоэлектрической  панели  полученный  в  течении  солнечного  дня  в  разные  времена  года

Результаты  исследования  и  полученные  данные  могут  быть  использованы  для  разработки  дорожной  карты  развития  солнечной  энергетики  в  Туркменистане,  в  частности  для  определения  места  для  построения  фотоэлектрической  солнечной  станции  большой  мощности,  составления  бизнес-модели  для  этой  станции  и  для  определения  местного  производственного  потенциала. 

  Список  литературы:

1.Стребков  Д.С.,  Пенджиев  А.М.,  Мамедсахатов  Б.Д.  Развитие  солнечной  энергетики  в  Туркменистане.  М.:  ГНУ  ВИЭСХ,  2012.  —  496  с.

2.Йе  Вин.  Виссарионов  В.И.  Исследование  влияния  температуры  характеристики  фотоэлектрических  преобразователей.//Научно-техническое  творчество  молодежи  —  путь  к  обществу,  основанному  на  знаниях:  Москва,  ВВЦ,  2012.  —  486—488  с.

3.[Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://wrdc.mgo.rssi.ru/,  http://eosweb.lars.nasa.gov/sse/

4.Jumayev  A.,  Sariyev  K.  Research  of  the  optimum  operating  mode  of  photo-  electric  solar  station  under  the  conditions  of  Turkmenistan.  The  9  th  International  Conference  on  Electrical  and  Control  Technologies,  May  8—9,2014,  Kaunas,  Lithuania.  Proceedings  of  the  9^th  International  Conference  on  Electrical  and  Control  Technologies  ECT-2014,  —  p.  154—156.

5.Saryýew  K.  Türkmenistanyň  şertlerinde  gün  fotoelektrik  gurluşlarynyň  energetiki  häsiýetnamalarynyň  derňewi.  //Türkmenistanda  ylym  we  tehnika,  2014,  №  2.