Исследование производительности солнечной энергоустановки в условиях Москвы

Внедрение: 2014 г.

С целью мониторинга работы автономных солнечных энергоустановок, совершенствования инженерных методик проектирования и расширения исследовательской и учебной базы группой учёных была разработана автономная фотоэлектрическая система с пиковой мощностью солнечных модулей 360 Вт.

Энергетическая часть автономной фотоэлектрической установки (АФУ) установки состоит из:

• двух фотоэлектрических модулей (ФЭМ) по 180 Вт на основе монокристаллического кремния c двусторонней фоточувствительностью (КПД лицевой стороны 14,2%);
• двух гелевых герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов (АКБ) (230 А·ч, 12 В), соединенных последовательно;
• контроллера заряда аккумуляторных батарей с функцией контроля точки максимальной мощности ФЭМ;
• регулируемой по мощности нагрузки (набор элементов освещения мощностью от 60 до 200 Вт в зависимости от сезона года).

ФЭМ смонтированы на опорной конструкции, предусматривающей сезонное ручное регулирование угла наклона к горизонту. Блок-схема установки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Внешний вид фотоэлектрических модулей на опорной конструкции и блок-схема АФУ.

Система регистрации электрофизических данных основана на базе Установки измерительной LTR-U-1-4 и позволяет отслеживать потоки энергии между фотоэлектрическими модулями,  гелевыми герметизированными свинцово-кислотными аккумуляторами (АКБ) и потребителем в режиме реального времени. Измерение электрических параметров (токов и напряжений) осуществляется во всех узлах системы; измеренные мгновенные значения фиксируются системой сбора данных на компьютере и отображаются в режиме реального времени на аналоговых вольтметрах и амперметрах, встроенных в шкаф управления. Визуализация измеренных величин на временной шкале и их математическая обработка осуществляется с помощью программного обеспечения PowerGraph.
Приходящая на приемную поверхность ФЭМ суммарная солнечная радиация фиксируется пиранометром QMS101 с многоканальным аналого-цифровым преобразователем сигнала и программным обеспечением для сбора данных, расположенным в плоскости ФЭМ.

Обработка результатов эксперимента включала в себя расчет и анализ:

• суточной солнечной радиации, приходящей на единицу площади фотоэлектрических модулей за заданный промежуток времени;
• показателей энергетической эффективности установки, в том числе КПД ФЭМ и АФУ в целом.

По результатам 3,5-летнего мониторинга работы АФУ были определены верхние и нижние границы удельной вырабатываемой фотоэлектрическими модулями энергии (Вт·ч/м²/день) в условиях Москвы для каждого месяца (для используемого типа ФЭМ) (солнечные батареи расположены под оптимальным для каждого сезона углом к горизонту) (рисунок 2). Эти величины позволяют оценить реальное поведение системы в отдельные месяцы и выявить риски, связанные с обеспечением гарантированности питания потребителя в данном климатическом регионе.

Рисунок 2. Месячные диапазоны производительности ФЭМ, Вт·ч/м²/день.

С помощью ПО PowerGraph фиксировалась динамика разности напряжений аккумуляторов, а затем вычислялись мода, среднее и максимум за каждые сутки. Анализ динамики этих величин за 2014 год (рисунок 3) показал постепенное, почти синхронное, нарастание моды и среднего (порядка 0,33 В за шесть месяцев) с относительно резким нарастанием максимума (около 2,5 В за восемь месяцев эксплуатации установки). При этом среднесуточный максимум имел тенденцию к резкому нарастанию в зимний период. По результатам исследования разбаланса был сделан вывод, что при проектировании и эксплуатации аналогичных автономных установок необходимо вводить в их состав систему балансировки АКБ, так как при ее отсутствии деградация батарей нарастает весьма быстро, что, учитывая высокую стоимость аккумуляторов, немаловажно для потребителей.

Рисунок 3. Разбаланс аккумуляторных батарей на примере эксплуатации АФУ в 2014 году.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ НШ-8406.2016.8.

Примечание от L-Card: Авторы не указывают тип применённых модулей АЦП, но, исходя из задачи, мог применяться модуль для измерения токов и напряжений на основе LTR27 в составе крейта LTR-U-1-4. 

Источник: 

Габдерахманова Т.С., аспирант, м.н.с., Объединенный институт высоких температур РАН, Тарасенко А.Б., ведущий инженер, Объединенный институт высоких температур РАН, Шакун В.П., инженер, МГУ имени М.В. Ломоносова. Исследование производительности автономной фотоэлектрической установки в условиях Москвы // Современные проблемы геофизики и геоэкологии (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды): Материалы Международной школы молодых ученых. – Майкоп: Изд-во «ИП Кучеренко В.О.», 2016. – 236 с. 

Разработчик: Габдерахманова Т.С. (ОИВТ РАН), Тарасенко А.Б. (ОИВТ РАН), Шакун В.П., МГУ