На главную страницу Rambler's Top100

О журнале

Архив

Разделы

Полезные ссылки

Rambler's Top100

Yandex.CN Сделано для России , тематический каталог отборных русских сайтов.

 

П. Н. Кузнецов


Севастопольский государственный университет, старший преподаватель кафедры возобновляемых источников энергии и электрических систем и сетей

 

В. А. Сафонов


Севастопольский государственный университет, профессор кафедры возобновляемых источников энергии и электрических систем и сетей, доктор технических наук
  • Энергобезопасность и энергосбережение №3, 2016

    Европейский опыт применения энергосберегающих счетов для бытовых потребителей

    Вопросы энергообеспечения и энергосбережения чрезвычайно актуальны для устойчивого развития Крыма и г. Севастополя. На примере локальной солнечной электростанции показана одна из возможностей повышения эффективности выработки электроэнергии в зимний период, когда в силу определенных причин, также проанализированных в данной статье, наблюдается значительное ее падение.

    Ключевые слова: солнечная энергетика, энергоэффективность, фотоэлектрическая станция, коммутация

    Собственное автономное энергообеспечение Крыма имеет важное стратегическое и социальное значение. Энергетически этот регион в большой степени зависит от материковой части, что требует активного принятия мер по рациональному использованию энергоресурсов. Для решения существующих энергетических проблем Крыма и г. Севастополя, а также актуальных для российской энергетики в целом, необходимо развивать использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [1], в особенности солнечной энергетики, потенциал использования которой в отдельных регионах достаточно велик [2].

    В настоящее время в Крыму и г. Севастополе построены фотоэлектрические станции «Перово» (105,6 МВт), «Охотниково» (80 МВт), «Митяево» (31,5 МВт), «Родниковое» (7,5 МВт) и «Севастопольская» (3,02 МВт) [3]. В результате их эксплуатации удалось в весенний сезон полностью обеспечить электроэнергией всех потребителей в дневное время. Но в зимние месяцы ситуация резко усложнилась – энерговыработка на некоторых станциях в декабре уменьшается в 4 раза по сравнению с ноябрем.

    Было проведено исследование на солнечной электростанции «Севастопольская» (ООО «С. Энерджи-Севастополь») с целью выявления причин этого явления. Графики суточной энерговыработки, снятые на станции в солнечные дни с инвертора Fronius Agilo 100.0-3 Outdoor, приведены на рис. 1.


    Из графиков видно, что в утреннее и вечернее время в декабре станция имеет минимальную выработку в достаточно длительный промежуток времени, в то время как на это время суток приходится максимум нагрузки энергосистемы. Причиной этого оказалось частичное затенение фотоэлектрических панелей нижнего ряда предыдущим рядом (рис. 2).


    В течение дня в зимнее время степень затенения панелей фотоэлектрической станции изменяется от 0 до 40 %. При этом мощность станции уменьшается не пропорционально этому значению, а в несколько раз. Объяснение этого явления заключается в том, что фотоэлектрические панели из верхнего и нижнего ряда подключены последовательно в модули по 18 штук (рис. 3), и при затенении панелей нижнего ряда уменьшается выходная мощность модуля вследствие того, что ток в последовательной цепи постоянен и не превышает тока в затененной панели. Выходное напряжение модуля складывается из напряжений каждой панели, а затененные элементы имеют меньшую выходную мощность. То есть затененные элементы ограничивают мощность полностью освещенных, это ограничение зависит от обратной характеристики фотоэлементов с меньшей выходной мощностью [4]. При этом падение мощности (ΔP) составляет:

    ΔP = Pо – Pз,
    ΔP = Iо · U – k · Iз · U = (Io – Iз · k)· U,
    где Pо – мощность равномерно освещенного модуля;
    Pз–мощность модуля с частично затененными панелями;
    Iо – ток равномерно освещенного модуля;
    Iз – ток модуля с частично затененными панелями;
    k –коэффициент, учитывающий обратную составляющую фотоэлемента;
    U – напряжение модуля.

    Для исключения влияния затененных панелей на энерговыработку станции применяют шунтирующие диоды [5], расположенные непосредственно на выходных клеммах панелей. Диоды подключают таким образом, чтобы они проводили ток в прямом направлении (Iш1, Iш2) при приложении обратного напряжения смещения (Uп1, Uп2) к затененным панелям (рис. 4). Обратное напряжение смещения возникает в том случае, если ток, текущий по последовательной цепочке (Iмод), создает падение напряжения на затененном участке – большее, чем напряжение, вырабатываемое группой затененных панелей. При этом потерями является только мощность, рассеиваемая в самих диодах в результате падения напряжения на них. Другими словами, шунтирующие диоды отключают затененную фотоэлектрическую панель из последовательной цепи, чтобы она не ограничивала мощность всей цепи.


    Однако применение шунтирующих диодов не решает проблему провала мощности в данном случае из-за того, что инвертор Fronius Agilo Outdoor 100.0-3, применяемый на солнечной электростанции, имеет диапазон входных напряжений 460–820 В постоянного тока, в то время как номинальное напряжение одной фотоэлектрической панели KV-260M составляет 30,9 В. Из этого следует, что при частичном затенении нижнего ряда диоды шунтируют минимум 6 панелей в одном модуле, из-за чего напряжение на выходе составляет Ј370 В; этого недостаточно для работы инвертора. Чтобы такого не произошло, инвертор должен снизить нагрузку (уменьшить ток) до значения, при котором шунтирующие диоды запрутся и затененные панели включатся в работу. При этом напряжение будет достаточным для работы инвертора, но вырабатываемая мощность существенно уменьшится. Эта функция инвертора носит название «слежение за максимальной точкой мощности» (МРРТ – maximum power point tracking), цель которого – измерение выходных характеристик фотоэлектрических преобразователей для применения подходящего сопротивления (нагрузки) и получения максимальной мощности в любых условиях окружающей среды [5, 6]. Устройство для обеспечения бесперебойной работы не позволяет при частичном затенении панелей снизить напряжение менее входного напряжения инвертора, изменяя рабочую точку вольт-амперной характеристики.



    Для экспериментальной проверки этого объяснения и поиска путей решения в Севастопольском государственном университете была собрана экспериментальная установка, состоящая из трех фотоэлектрических панелей KV-260M (рис. 5 а–в).



    Установка состоит из трех последовательно подключенных фотоэлектрических панелей, одна из которых частично затенена (на 10 %). Результаты экспериментально полученных вольт-амперных характеристик показаны на рис. 6.


    Из рис. 6 видно, что при частичном затенении (на 10 %) одной панели напряжение в рабочей точке (точка А) составляет 2/3 напряжения рабочей точки без тени (точка В), то есть одна панель выведена из работы шунтирующими диодами. При снижении тока до 250 мА затененная панель включается в работу, и напряжение увеличивается до номинального значения (точка Б).


    Для увеличения энерговыработки фотоэлектрической станции нами было предложено три варианта:

    1. Демонтировать фотоэлектрические панели затененного в зимнее время года ряда и установить их на свободной территории солнечной станции.

    2. Перекоммутировать панели в модули по 24 штуки вместо 18. При этом напряжение модуля с одним затененным рядом составит 490 В, а без затенения – 750 В, что находится в допустимых пределах для работы инвертора.

    3. Изменить схему коммутации фотоэлектрических панелей на рядную, как представлено на рис. 7. Такая схема позволяет избежать несоответствия в последовательно соединенных цепочках фотоэлектрических панелей, что значительно увеличивает энерговыработку при частичном затенении одного ряда.

    В результате сравнительного анализа трудозатрат на модернизацию из вышеперечисленных вариантов был выбран третий.


    Для исследования параллельной работы фотоэлектрических панелей с частичным затенением была собрана трехрядная схема, изображенная на рис. 8. Вольт-амперная характеристика при таком подключении показана на рис. 9.


    Как видно из рис. 9, при параллельном подключении панелей, имеющих разную освещенность, напряжения в точках максимальной мощности U1 и U2 имеют практически одинаковые значения. Следовательно, при такой коммутации в случае затенения нижнего ряда остальные два нормально освещенных ряда будут работать без снижения мощности. При этом нижний затененный ряд также не отключится и продолжит вырабатывать электрическую энергию, но уже на сниженной мощности ввиду пониженной освещенности.


    Далее нами была проведена работа по перекоммутации фотоэлектрических модулей на рядную схему в цепи одного инвертора (378 фотоэлектрических панелей) в соответствии с договором № 51 от 6.06.2015 г. между Севастопольским государственным университетом и ООО «С. Энерджи-Севастополь». На рис. 10 изображен график суточной энерговыработки в солнечный день января, измеренной на выходе инвертора с перекоммутированными фотоэлектрическими модулями, и график энерговыработки, измеренной на выходе инвертора с модулями исходной коммутации.

    График показывает, что суточная энерговыработка участка с перекоммутированными модулями, измеренная на выходе инвертора, возросла примерно в два раза, уменьшился провал мощности в утреннее и вечернее время. Также нужно отметить, что даже при отсутствии затенения перекоммутированный участок имеет большую мощность, чем участок с исходной коммутацией. Это связано с тем, что значения рассеянной составляющей, поступающей на верхние и нижние фотоэлектрические панели, различны из-за того, что расположенный впереди ряд закрывает собой часть неба южной стороны для нижних панелей.

    Проведенные исследования экспериментально показали значение правильной коммутации фотоэлектрических модулей на солнечной электростанции. Результаты этого исследования легли в основу нового проекта солнечной электростанции «Севастопольская», согласно которому была проведена работа по перекоммутации всей станции, благодаря чему ее мощность в утреннее и вечернее время в зимний период увеличилась до 8 раз, средняя суточная энерговыработка – на 80 %, а в весенне-осенний период – на 10–12 %, что подтверждено актом внедрения. Полученный опыт рекомендуется к использованию с целью повышения эффективности работы фотоэлектрических станций.

    Литература

    1. Макушин М. Есть ли место солнцу в будущем российской энергетики? / / Электроника: наука, технология, бизнес. – 2007. – № 4. – С. 112–119.

    2. Крым начнет полностью обеспечивать себя электроэнергией к 2018 году [Электронный ресурс]. Код доступа: www.tass.ru/ekonomika/2063522.

    3. Реализованные PV проекты Activ Solar [Электронный ресурс]. Код доступа: www.activsolar.com/ru/products/pv-projects.

    4. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. – М.: Энергоатомиздат, 1983.

    5. What is maximum power point tracking? [Электронный ресурс]. Код доступа: www.solar-electric.com/mppt-solar-charge-controllers.html.

    6. Moyer E. Solar Photovoltaics EJM / / GEOS24705. – Chicago: Department of the Geophysical Sciences,2011.

  • © «Московский институт энергобезопасности и энергосбережения»
    Полное или частичное использование материалов возможно только с разрешения редакции.
    Политика в отношении персональных данных
    Зарегистрирован в Федеральной службе по надзору в сфере массовых коммуникаций, связи и охраны культурного наследия. Свидетельство ПИ № ФС77-28742

    webmaster: webmaster@endf.ru