РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

УДК 631.9

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СОЛНЕЧНОЙ

ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

А.Н. Ефимова; Е.В.Тимофеев канд. техн. А.Ф. Эрк канд. техн. наук; В.А. Размук

наук;

Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия

В последнее время солнечная энергетика все более широко внедряется в сельское хозяйство. Это связано с необходимостью использовать новые генерирующие источники электроснабжения в распределенных сетях. Однако широкому применению фотовольтаических систем мешает высокая первоначальная стоимость установок и низкий коэффициент их использования. Целью исследования является определение эффективности применения солнечной электростанции и подтверждение ее характеристик в условиях Северо-Западной зоны России. Были проведены исследования разработанной и изготовленной экспериментальной автономной солнечной электростанции, состоящей из трех гетероструктурных фотоэлектрических модулей мощностью по 315 Вт каждый производства компании «Хевел» (Россия), аккумуляторной батареи, инвертора и контроллера заряда. Исследования проводились методом «пассивного эксперимента», данные опытов обработаны методом статистического анализа. Получены результаты эксплуатации электростанции в естественных условиях при различных величинах инсоляции и температурном диапазоне окружающего воздуха. Коэффициент полезного действия составил порядка 22%. Наиболее интересным представляется использование комбинированных электростанций для электроснабжения удаленных потребителей небольшой мощности (до 50-70 кВт) в фермерских хозяйствах. Это мелкотоварные производства - свинарники на 10-30 голов, крольчатники, помещения для содержания птицы, овец, коз и т.п. Перспективно также использование солнечной энергии для электроснабжения жилых домов.

Ключевые слова: солнечная энергия, фотоэлектрический модуль, потребитель электрической энергии, коэффициент полезного действия.

Для цитирования: Ефимова А.Н., Тимофеев Е.В., Эрк А.Ф., Размук В.А. Результаты экспериментальных исследований солнечной электростанции // АгроЭкоИнженерия. 2021. № 3 (108). С. 4-13

RESULTS OF THE EXPERIMENTAL STUDY OF A SOLAR POWER PLANT

A. N. Efimova; E.V. Timofeev, Cand. Sc. A.F. Erk, Cand. Sc. (Engineering);

(Engineering); V.A. Razmuk;

Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia

Recently, solar energy has found expanding agricultural applications due to the pressing need for new power generating sources in distributed networks. However, the high acquisition costs of photovoltaic systems and the low utilisation rate hinder their widespread introduction. The study purpose was to estimate the efficiency of a solar power plant and to verify its specifications under climatic conditions of the North-West of Russia. The study tested a specially designed and manufactured autonomous solar power plant. The installation consisted of six hetero-structural photovoltaic modules with the capacity of 315 W each (Hevel Energy Group, Russia), a storage battery, an inverter, and a charge controller. The study used the "passive experiment" method and statistical data analysis. The results were obtained for the natural conditions under different insolation and ambient air temperature. The solar plant demonstrated around 22% efficiency. The combined small-size (up to 50-70 kW) electrical power stations were found most promising for electricity supply of the facilities in the remote private farms - pig houses for 10 to 30 head, houses for rabbits, poultry, sheep, and goats as well as residential houses.

Keywords: solar energy, photovoltaic module, electricity consumer, efficiency coefficient

For citation: Efimova A.N., Timofeev E.V., Erk A.F., Razmuk V.A. Results of the experimental study of a solar power plant. AgroEkoInzheneriya. 2021. No. 3

Введение

Среди возобновляемых источников энергии солнечная энергия имеет наибольший потенциал использования. В результате обзора литературных источников выявили, что солнечную энергию целесообразно получать и в климатических условиях Северо-Запада Российской Федерации [1, 2]. Традиционно считается, что использовать энергию солнца в этой зоне оптимально в летний период для подогрева воздуха при сушке сена, зерна, семян, подогрева воды на технологические нужды животноводческих ферм, подогрева воды для поения животных и т.п. [3, 4]. Использовать энергию солнца для получения электрической энергии считалось экономически не выгодно [5]. Однако, солнечная энергия используется для получения электрической энергии в странах с такими же климатическими условиями, в том числе у фермеров [6, 7, 8]. Кроме того, в последнее время на рынке появляется большое разнообразие технических средств для фотовольтаики, стоимость которых постоянно снижается [9, 10]. Актуальным

представляется использование

комбинированных электростанций для электроснабжения удаленных потребителей небольшой мощности (до 50-70кВт) в фермерских хозяйствах. Это мелкотоварное производство: свинарники на 10-30 голов, крольчатники, помещения для содержания птицы, овец, коз и т.п. [11]. Перспективно также использование солнечной энергии для электроснабжения жилых домов [12].

Материалы и методы

В ИАЭП были проведены исследования солнечных модулей в реальных условиях эксплуатации в режиме «пассивных экспериментальных исследований» с июня по октябрь 2020 года и на основе полученных данных определена эффективность их работы.

Целью проведенных исследований являлось определение оптимальных параметров и режимов работы солнечного модуля (наибольшее КПД). Для этого производились измерения режимов работы солнечного модуля установки (величины напряжения и тока) при

воздействии солнечной радиации в пасмурные и ясные дни.

Задачами проведённых исследований, являлось изучение изменения величин напряжения и тока солнечных модулей в реальных условиях эксплуатации и определение эффективности их работы.

В качестве объекта исследований принята фотоэлектрическая установка на основе трех гетероструктурных

фотоэлектрических модулей HVL-315/HJT, инвертора Multihlus 24/1200/25 и контроллера Smart Solar представленных на рисунке 1.

Установка состоит из фотоэлектрических панелей (ФЭП), и потребителей электрической энергии (масляный радиатор).

Фотоэлектрическая панель установлена на деревянном настиле на высоте 10,5м с углом

наклона к горизонту 67, ориентация ЮГ. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Следовательно, на выводах панели, возникает разность потенциалов, а при наличии нагрузки начинает протекать электрический ток.

При испытаниях фотоэлектрической установки замерам подлежали следующие факторы:

интегральная величина солнечной радиации 5, Вт/м2;

температура окружающего воздуха

о

t

воз(п)>

С;

Напряжение:

- на фотоэлектрической панели иПш(п)> В;

- у потребителя (нагрузка) иНлГР(п)> В;

Электрический ток (в цепи):

- фотоэлектрическая панель - потребитель (нагрузка) 1{к-н), л;

Параметры влажности, скорости и направления ветра, атмосферное давление не учитывались ввиду крайне незначительного влияния на параметры солнечного модуля.

Уровень солнечной радиации измерялся с помощью пиранометра TES1333R. Точность которой составила 5 %. Измерения величин напряжения и электрического тока, на всех участках электрической цепи, проводили с помощью информационного дисплея котроллера «Color Control GX Relail». Датчики напряжения установлены на выводах ФЭП, и на контактах присоединения к потребителям точность измерения напряжения и тока равна соответственно 0,8 и 1 %. Датчики электрического тока установлены

непосредственно в электрическую цепь на участках: ФЭП. была подключена постоянная нагрузка 800 Вт.

Рис. 1. Экспериментальная установка исследования гетероструктурного фотоэлектрического

модуля

При естественной величине солнечной радиации фиксировали с периодичностью 30 минут в течении светового дня следующие основные факторы: величину потока солнечной радиации (S) , напряжение( Ипан(п)) и ток ( I (к-н)) в цепи ФЭП - потребитель (нагрузка). КПД фотоэлектрической панели определяли как отношение максимальной снимаемой мощности к мощности падающего солнечного потока:

77=^^X10 0 %

Информация с датчиков напряжения и электрического тока поступали непрерывно на «Color Control GX Relail», где происходило ее архивирование в электронном виде с привязкой по времени.

Архивирование процессов в

электронном виде дает возможность построить

графики изменения исследуемых величин, увязанные по времени.

Обработка результатов исследований производилась на ПК с использованием программы EXCEL, способ обработки данных -корреляционно регрессивный анализ. На основе анализа данных определялось максимальное значение коэффициента полезного действия стационарных фотоэлектрических систем в зависимости от реальных внешних факторов. Результаты и обсуждение В результате эксперимента, получены зависимости коэффициента полезного действия (КПД) ФЭП от изменяемых внешних условий. 7 = f ( 1 (фп-н), U пан,5) Для примера в таблице 1 представлена выдержка из журнала исследований с 15 по 17 сентября 2020г.

Таблица

Журнал исследований

Дата Врем я Солнечн ая радиаци я Напря жение на ФЭП Сила тока цепи ФЭП Мощно сть ФЭП Напряже ние на аккумул яторе Сила тока цепи аккуму лятора Коэффи циент преобра зования солнечн ой энергии

дд.мм.гг час Вт / м2 В А Вт В А %

15.09.20 9:30 47,5 37,4 1,4 50 23,7 2 21,57

15.09.20 10:00 53 37,25 1,8 66 23,2 2,8 24,76

15.09.20 10:30 700 36,56 7,8 278 24,24 11,2 7,97

15.09.20 11:00 820 35,28 14,7 519 25,01 20,4 12,38

15.09.20 11:30 910 34,04 23,3 796 24,1 32,1 17,06

15.09.20 12:00 970 33,95 24,5 820 23,69 33,9 16,78

15.09.20 13:30 1027 32,98 25,9 841 25,2 32,8 16,28

15.09.20 14:00 1025 33,06 25 823 24,69 32,5 15,78

15.09.20 14:30 925 33,15 23,9 789 24,01 32,2 16,76

15.09.20 15:00 930 33,36 22,7 760 23,38 31,6 15,93

15.09.20 15:30 823 33,06 21,2 703 23,03 30 16,67

15.09.20 16:00 51 33,35 1,8 61 24,08 2,4 23,03

16.09.20 9:00 63,9 36,56 2,2 82 26,3 2,9 24,63

16.09.20 9:30 66,7 35,86 1,8 67 25,82 2,5 18,94

16.09.20 10:00 167,6 36,56 4,5 166 26,86 6 19,21

16.09.20 10:30 200,5 35 5,4 189 25,73 7,2 18,45

16.09.20 11:00 108,5 34,9 3,7 128 23,09 5,3 23,29

16.09.20 11:30 74,4 35,85 2,4 85 21,9 3,6 22,63

16.09.20 12:00 105,6 35,73 2,5 88 22,12 3,9 16,55

16.09.20 13:00 206,5 36,74 6,3 217 25,61 8,1 21,94

16.09.20 13:30 27,4 39,35 0,4 17 27,01 0,6 11,24

16.09.20 14:00 854 35,33 21,7 770 23,5 32 17,57

16.09.20 14:30 112,5 35,84 3,7 128 24,5 5 23,07

16.09.20 15:00 61,7 33,45 1,9 64 24,59 2,5 20,16

16.09.20 15:30 140 35,04 4,2 146 25,25 5,6 20,57

16.09.20 16:00 39,4 35,35 1 35 25,28 1,3 17,56

17.09.20 10:00 81,8 38,07 2,2 91 24,65 3,5 20,04

17.09.20 10:30 141 36,81 3,2 116 25,1 4,4 16,35

17.09.20 11:00 30,7 35,29 1 35 25,75 1,3 22,50

17.09.20 11:30 475 34,36 17,8 641 26,43 2,61 25,20

17.09.20 12:00 174,8 37,3 4,8 176 23,3 7,4 20,04

17.09.20 13:00 211,7 37 7,5 270 24,9 10,3 25,65

17.09.20 13:30 93,4 37,26 2,7 98 25,31 3,7 21,08

17.09.20 14:00 110,4 37,7 2,6 102 25,63 4 17,37

17.09.20 14:30 79,1 37,06 2,2 84 26,38 3 20,17

17.09.20 15:00 34,4 35,29 0,9 34 22,89 1,4 18,07

17.09.20 15:30 60,3 36,37 1,6 62 23,42 2,6 18,89

17.09.20 16:00 38,2 35,22 1,5 42 23,47 1,6 27,06

Для анализа полученных данных построены графики изменения мощности гетероструктурных солнечных модулей и инсоляции солнца, вольтамперная

характеристика, а также графики изменения силы тока и напряжения солнечных модулей в течение светового дня, которые представлены на рисунках 2 и 3.

1200

2 1000 W 800

R S

s

R

П О и 35

H

600 400 200 0

300 250

200 05

150 £ 100 §

о

50 Ж 0

9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5 13 13,5 14 14,5 15 15,5 16 16,5 17

Время, ч

Инсоляция

W, Втч

Рис. 2. Динамика изменения мощности гетероструктурных солнечных модулей и инсоляции

солнца

Рис. 3. Динамика изменения силы тока и напряжения солнечных модулей

Из полученных графиков видно прямую зависимость мощности от инсоляции, что характеризует нормальный режим работы фотоэлектрической станции. При этом график изменения силы тока и напряжения солнечных панелей показывает характер работы, когда номинальная мощность панели определяется при напряжении в пределах 30 - 40В и силе тока в пределах 15 -25А.

Для выявления зависимости солнечной инсоляции и КПД панели средствами анализа MS Excel был произведён регрессионный анализ данных с уровнем надежности 95%.

Динамика изменение КПД в зависимости от инсоляции представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Зависимость КПД от инсоляции солнечных гетеро структурных модулей

Наибольшее значение КПД исследуемые панели получают при низких значениях инсоляции до 200 Вт/м , при таких условиях КПД доходит до 27%. При более высоких значениях инсоляции КПД снижается до 1819%. Это объясняется тем, что часть энергии преобразуется в тепловую. Среднее же значение по результатам анализа равно 21,07%.

Исходя из полученных значений мощности, определен коэффициент полезного действия для солнечных панелей, как отношение вырабатываемой к номинальной мощности. Проведенные исследования показали, что коэффициент преобразования для исследуемых модулей был определен на уровне 22% для условий Северо-Запада РФ.

Выводы

Исходя из полученных значений мощности, определен коэффициент полезного действия для солнечных панелей, как отношение вырабатываемой к номинальной мощности. Проведенные исследования показали, что коэффициент преобразования для

исследуемых модулей был определен на уровне 22 % для условий Северо-Запада РФ, что практически равно паспортным

характеристикам панели, которые равны 23%.

Полученные значения коэффициента полезного действия солнечной энергии показывают, что представленные панели являются эффективными и возможно их применение в качестве альтернативных источников энергии. Также с учетом полученных данных о накоплении эл. энергии за исследованный период, можно сделать вывод, что использование их в условиях Северо-Запада в качестве альтернативных и резервных источников энергии является экономически целесообразным. Данные установки можно применять в качестве основного источника электрической энергии на небольших и отдаленных объектах сельскохозяйственного предприятия. Это позволит снизить издержки на эксплуатацию центрального энергоснабжения таких объектов на 50 %.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тимофеев Е.В., Эрк А.Ф., Судаченко В.Н., Размук В.А., Ефимова А.Н. Целесообразность использования солнечных электростанций на сельской территории // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 3 (100). С. 9-20.

2. Kryuchenko Yu.V., Sachenko A.V., Bobyl A.V. et al. Evaluation of the annual electric energy output of an a-Si:H solar cell in various regions of the CIS countries. Energy Policy. 2014. № 68, pp. 116-122

3. Бровцин В.Н., Эрк А.Ф. Математическая модель солнечной водонагревательной установки // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2013. № 84. С. 90-112

4.Бровцин В.Н., Эрк А.Ф. Оптимизация параметров солнечной водонагревательной установки методом вычислительного эксперимента. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

2013. № 84. С. 112-125

5.Ярымбаш Д.С., Даус Ю.В. Особенности идентификации интенсивности солнечной радиации при проектировании солнечных электростанций Електротехшка та електроенергетика.

2014. № 1. С. 74-78.

6. Global Market Outlook for Solar Power 2020-2024. Solar Power Europe. Reports. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.solarpowereurope.org/global-market-outlook-2020-2024/

7. Yanо A., Tohoda S., Matsuyama K., Nakamura Y., Nishiwaki T., Fujita K., Taguchi M.,

Maruyama E. 24.7% Record Efficiency HIT Solar Cell on Thin Silicon Wafer // A. Mine, A. Jäger-Waldau, P. Helm (eds.) Proc. of the 28th Eur. Photovoltaic Solar Energy Conf. and Exhibition, 30 Sep- 04 Oct 2013, Paris, France. München, Germany: WIP. 2013. pp. 748-752

8. Jordan D. C., Kurtz S. R. Photovoltaic degradation rates-an analytical review. Progress in photovoltaics: Research and Applications. 2013. Vol. 21. No. 1, pp. 12-29 https://doi.org/10.1002/pip.1182

9. Sachenko A.V., Kostylyov V.P., Vlasiuk V.M., Sokolovskyi I.O., Evstigneev M. The influence of the exciton nonradiative recombination in silicon on the photoconversion efficiency // M. Topic, P. Helm, N. Taylor

10. Richter A., Benick J., Feldmann F., Fell A., Hermle M., Glunz S.W. N-Type Si solar cells with passivating electron contact: Identifying sources for efficiency limitations by wafer thickness and resistivity variation // Solar Energy Mater. Solar Cells. 2017. Vol. 173. pp. 96-105

11.Said M., EL-Shimy M., Abdelraheem M.A. Photovoltaics Energy: Improved Modeling and Analysis of the Levelized Cost of Energy (LCOE) and Grid Parity - Egypt case study // Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2015. Vol. 9. pp. 37-48.

12.Даус Ю.В., Юдаев ИВ. Анализ вариантов электроснабжения потребителя электрической энергии от солнечной фотоэлектростанции

Вестник ВИЭСХ. 2018. № 2 (31). С. 90-94.

1. Timofeev E.V., Erk A.F., Sudachenko V.N., Razmuk V.A., Efimova A.N. Tselesoobraznost' ispol'zovaniya solnechnykh elektrostantsii na sel'skoi territorii [Feasibility of using solar power plants in rural areas]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. No. 3

2. Kryuchenko Yu.V., Sachenko A.V., Bobyl A.V. et al. Evaluation of the annual electric energy output of an a-Si:H solar cell in various regions of the CIS countries. Energy Policy. 2014. No. 68: 116-122

3. Brovtsin V.N., Erk A.F. Matematicheskaya model' solnechnoj vodonagrevatel'noj ustanovki [Mathematical model of solar water heaters]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2013. No. 84: 90-112

4. Brovtsin V.N., Erk A.F. Optimizatsiya parametrov solnechnoi vodonagrevatel'noi ustanovki metodom vychislitel'nogo eksperimenta [Optimization of parameters of a solar water heating installation through computational experiment]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2013. No. 84: 112-125

5. Yarymbash D.S., Daus Yu.V. Osobennosti identifikatsii intensivnosti solnechnoi radiatsii pri proektirovanii solnechnykh elektrostantsii [Solar radiation intensity identification features for solar power stations designing]. E^eKTpoTexHiKa Ta e^eKTpoeHepreTHKa. 2014. No. 1: 74-78

6. Global Market Outlook for Solar Power 2020-2024. Solar Power Europe. Reports. Available at: https://www.solarpowereurope.org/global-market-outlook-2020-2024/

7. Yano A., Tohoda S., Matsuyama K., Nakamura Y., Nishiwaki T., Fujita K., Taguchi M., Maruyama E. 24.7% Record Efficiency HIT Solar Cell on Thin Silicon Wafer. In: A. Mine, A. Jäger-Waldau, P. Helm (eds.) Proc. of the 28th Eur. Photovoltaic Solar Energy Conf. and Exhibition, 30 Sep- 04 Oct 2013, Paris, France. München, Germany: WIP. 2013: 748-752

8. Jordan D. C., Kurtz S. R. Photovoltaic degradation rates-an analytical review. Progress in photovoltaics: Research and Applications. 2013. Vol. 21. No. 1, pp. 12-29 https://doi.org/10.1002/pip.1182

9. Sachenko A.V., Kostylyov V.P., Vlasiuk V.M., Sokolovskyi I.O., Evstigneev M. The influence of the exciton nonradiative recombination in silicon on the photoconversion efficiency // M. Topic, P. Helm, N. Taylor

10. Richter A., Benick J., Feldmann F., Fell A., Hermle M., Glunz S.W. N-Type Si solar cells with passivating electron contact: Identifying sources for efficiency limitations by wafer thickness and resistivity variation. Solar Energy Mater. Solar Cells. 2017. Vol. 173: 96-105

11. Said M., EL-Shimy M., Abdelraheem M.A. Photovoltaics Energy: Improved Modeling and Analysis of the Levelized Cost of Energy (LCOE) and Grid Parity - Egypt case study. Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2015. Vol. 9: 37-48.

12. Daus Yu. V., Yudaev I.V. Analiz variantov elektrosnabzheniya potrebitelya elektricheskoi energii ot solnechnoi fotoelektrostantsii [Analysis of power supply options of electric energy consumer from solar photoelectric power station]. Vestnik VIESH. 2018. No. 2