УДК 621.47
ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ В
РЕАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
,
Е mail: *****@***ru
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Хабаровск
Аннотация: В работе рассматривается автономная солнечная фотоэлектрическая станция малой мощности (200 Вт пиковой мощности). Описана методика изучения ФЭС работающей в реальных климатических условиях г. Хабаровска. Проводится сравнение мощности получаемой экспериментально с пиковой мощностью данный для условий стандартных испытаний. Полученные результаты свидетельствуют о том, что КПД солнечных модулей изменяется в пределах 5-15% в течение ясного солнечного дня длительностью 10 часов.
В последние годы строительство солнечных фотоэлектрических станций (СЭС) активно растет, о чем свидетельствует статистика производства и продаж солнечных модулей [1-3]. На рисунке 1 показан рост установленной мощности ФЭС в мире с 2000 по 2013г. из него следует, что в 2000 г величина установленной мощности составляла 1,288 ГВт, а в 2013 г - 138,833 ГВт.
Для сравнения напомним, что полная мощность всех электростанций в мире составляет приблизительно 3355 ГВт. По прогнозам EPIA (Европейская Ассоциация Солнечной Фотоэлектрической Энергетики) средние значения себестоимости кВт·ч в Европе было примерно 10 евроцентов (в долларах~17 центов), то в 2025 г ожидается 3-5 евроцентов, эти показатели по стоимости кВт·ч фактически сравниваются со стоимостью кВт·ч производимой на ТЭС, работающей на газе. Количество солнечной энергии, поступающей на территорию РФ за неделю, превышает энергию всех российских запасов нефти, газа, угля и урана. Очень большое распространение получила гелиоэнергетика в Евросоюзе, Японии, США, Китае и некоторых других странах. Характерно, что КНР за последние три года, начиная с 2013г, занимает первое место в мире по производству солнечных модулей и даже их продает в Евросоюз по заранее установленным квотам на объем продаж и их стоимость за 1 Вт.
Китайские компании активно и в значительных объемах продают в городах Дальнего Востока России большое количество солнечных фотоэлектрических станций небольшой мощности до 10 кВт. Причем такие гелиоустановки оснащены всеми необходимыми компонентами (солнечные модули, контроллеры заряда - разряда, аккумуляторы, инверторы).
Большие успехи в освоении и применении возобновляемых источников энергии (ВИЭ) сделали государства Евросоюза. Об этом свидетельствуют прогнозы Европейского совета по ВИЭ, которые планируют на долю этих источников в общем производстве первичной энергии возрастание следующими темпами: 2001г - 13,6 %; 2010г - 16%; 2020г - 23,6%; 2030г - 34,7%; 2040г - 47,7%. Среднегодовой темп роста от всех истощаемых источников энергии составит 1%, т. е. потребление первичной энергии увеличится с 10 млрд т. н.э. в 2000г до 14 млрд т. н.э. в 2040г. Этот прогноз составлен исходя из весьма умеренных темпов развития различных видов ВИЭ [4]. Однако, гелиоэнергетика помимо явных положительных качеств (самый большой валовый потенциал, высокая степень экологичности) имеет недостатки. Это прежде всего невысокий КПД, который составляет для серийных солнечных модулей приблизительно 15-17% и себестоимость кВт·ч приблизительно 17-57 центов в зависимости от места установки. По сравнению с теплоэлектростанциями, работающих на газе, это в три раза выше [6], но с учетом того, что и нефть и газ в мире придут к истощению приблизительно в 2050 году, то вопросы рассматриваемые в статье весьма актуальны.
В настоящее время, по оценкам экспертов, общая мощность солнечной генерации в России не превышает 120 МВт. Общая мощность энергосистемы РФ на 2015г составляет 230ГВт, т. е. доля гелиогенерации составляет менее 0,052%. В ближайшие годы ожидается реализация крупных проектов, в том числе ввод в эксплуатацию Новочебоксарского завода по производству солнечных модулей. Хотя общая мощность солнечной генерации к 2020г увеличится в 100 раз, но все равно будет составлять менее 5%. Характерной особенностью солнечной энергетики состоит в том, что она будет внедряться очень быстрыми темпами в частном секторе (особенно в отдаленных селах и поселках), куда очень дорого подводить электроэнергию от мощных электростанций. На 2015г. пока не существует типовых проектов таких СЭС. В работе [6] показано, что для района им. Полины Осипенко Хабаровского края СЭС пиковой мощности 5 кВт, используемая для уличного освещения окупится за 2-3 года.
С целью оценки экономической эффективности малых СЭС нами была разработана лабораторная установка состоящая из двух солнечных модуля каждый с пиковой мощностью 100 Вт и имеющей в своем составе контроллер заряда - разряда типа СМ -3024Z и аккумулятор типа AGM МГ1250 емкостью 50 А·ч. На первом этапе планируем использовать эту СЭС для питания светодиодных ламп соответствующей мощности 5 Вт и 7 Вт. В дальнейшем предполагаем применять инвертор мощностью 200 Вт для питания потребителей использующих переменный ток 220 В, 50 Гц. Валовый и технический потенциалы солнечного излучения рассчитывали согласно работе[5]. Блок - схема установки представлена на рисунке 1.
На этой установке можно измерить ВАХ каждого модуля в отдельности при определенной фактической солнечной радиации (Вт/м2). Эта схема позволяет измерять отдельно ВАХ для нагрузки постоянного тока и отдельно для нагрузки переменного тока. Для нагрузок постоянного тока можно работать при напряжении 12 В и если СМ1 и СМ2 соединить последовательно можно работать при напряжении 24 В. Мощность получаемая от каждого модуля при измеренной солнечной радиации позволяет вычислить КПД солнечных модулей. Все измерения проводились согласно методическим указаниям [7].
Солнечные модули размещены на южной стороне стены учебного корпуса №2 ДВГУПС на высоте 30 м от поверхности Земли и имеют наклон к горизонту в=65° и азимут г=25° на юго-запад (рис 3).
Хотя угол наклона в=65° в нашем случае не равняется широте Хабаровска ц=48°48ґ, но ошибка в оценке валового потенциала составляет менее одного процента. К тому же этот угол наклона в выбран ещё и потому, что вероятность падения сосулек с крыши здания на солнечные модули практически невозможна. Солнечные модули типа CLP - 1005-12 площадью 1195·551мм2 прочно закреплены на несущей стальной конструкции. Там же закреплен и измеритель солнечной радиации (Вт/м2), изготовленный из маленького солнечного модуля (ФСМ-2-8) с размерами 230-145мм и пиковой мощностью 2 Вт при условиях стандартных испытаний. В лабораторных условиях он был проградуирован. Градуировка производилась при различных температурах от -40°С до +50°С; этот процесс проводился с применением специального криостата.
Измерения тока и напряжения производятся с помощью мультиметров, у которых есть выход USB на компьютер, причем эти измерения можно производить через заранее заданный интервал времени (1с, 1 мин, 10 мин, 1 час и т. д.) в течении светлого времени суток. Кроме отмеченных параметров СМ на установке имеется возможность измерять температуру окружающей среды и температуру лицевой поверхности солнечных модулей. Вся полученная информация фиксируется в компьютере с указанием даты проведения измерений.
Таким образом, предлагаемая установка дает возможность производить измерения необходимых параметров СМ в реальных климатических условиях их эксплуатации, а также позволит сравнивать их свойства с измеренными в условиях стандартных испытаний (G=1000Вт/м2, t=25°С, и воздушная масса М1,5). Кроме того контроллер СМ3024Z позволяет измерять фактическую нагрузку в А·ч постоянного тока за каждый световой день. Все это позволит оценить экономическую эффективность исследуемых солнечных модулей.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Виссарионов, В. И., Солнечная энергетика/ , , / учеб. пос. для вузов - М..: изд. Дом МЭИ, 2008г.
2. Безруких, П. П., Взгляд на энергетику 2020 в свете устойчивого развития России/ Безруких, П. П., // Малая энергетика.- 2014.-№1-2.
3. Справочник по ресурсам возобновляемых источников энергии России и местным видам топлива /под ред. д. т.н. - М.: ИАЦ Энергия, 2007.
4. Безруких, энергетика: стратегия, ресурсы, технология./ , //М.:ГНУ ВИЭСХ, 2005.
5. Информационная система для расчетов солнечной энергии на поверхности Земли для территории Дальнего Востока и Забайкалья: свидетельство государственной регистрации для ЭВМ /, Заявитель ДВГУПС.- 2014612460. Заявлено 27.12.2013.- Хабаровск, 2013г - ГР.26.02.2014.
6. Дугаров, и перспективы использования СФЭУ в некоторых районах Хабаровского края/ , , // Бюллетень научных сообщений №18.- Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2013г.
7. Фалеев, характеристики солнечных модулей: метод. указ. /.- Изд. ДВГУПС, Хабаровск, 2013г.-28 с.
