На правах рукописи

АРОНОВА ЕКАТЕРИНА СЕРГЕЕВНА

МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ

АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ СОЛНЕЧНЫХ

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

05.14.08 – Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2010

Работа выполнена на кафедре «Возобновляющиеся источники энергии и гидроэнергетика» ГОУ ВПО государственный «Санкт-Петербургский политехнический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Грилихес Владимир Александрович доктор технических наук, профессор Елистратов Виктор Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Виссарионов Владимир Иванович кандидат технических наук, доцент Стеганов Геннадий Борисович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В.И.Ульянова (Ленина)».

Защита состоится «6» апреля 2010 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.17 ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, СанктПетербург, Политехническая ул., 29, гидрокорпус II, ауд. 411.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан « » марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.229. доктор технических наук, профессор Сидоренко Г.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Более 70 % территории России это районы децентрализованного или ненадежного централизованного энергоснабжения, где основными источниками электроэнергии являются автономные топливные электростанции.

Альтернативой таким электростанциям могут выступать системы на основе солнечных фотоэлектрических установок преобразующих (СФЭУ), экологически чистый возобновляемый источник энергии (ВИЭ) солнечное излучение Возможность такой замены подтверждается оценкой (СИ).

потенциала солнечных ресурсов России. Среднегодовые суммы поступающего СИ во многих районах страны, в том числе и таких, где ощущается недостаток централизованного электроснабжения (например, Забайкалье), больше, чем на территориях Германии или Испании, где уже сейчас массово применяют солнечные установки.

Следует учитывать и мировые тенденции развития производства солнечных фотоэлектрических систем, которое начиная с 2000 г. растет в среднем на 30 40 % в год, достигнув в 2008 г. показателя в 7,1 ГВт (пик). Суммарные установленные мощности в 2008 г. превысили 14,7 ГВт (пик).

В настоящее время наиболее часто применяют неподвижные ориентированные на юг солнечные фотоэлектрические установки с кремниевыми солнечными элементами (СЭ), а также следящие установки с концентраторами СИ и многопереходными СЭ. Однако сегодня практически отсутствуют методы и подходы, позволяющие определять области и территории эффективного использования СФЭУ различных типов с учетом особенностей их функционирования в составе систем автономного электроснабжения (САЭС), которые могут включать другие возобновляемые источники энергии, например ветроэлектрическую установку (ВЭУ), а также дизельный или бензиновый двигатель-генератор (ДГ, БГ) и аккумуляторные батареи (АБ).

моделированию и оптимизации параметров САЭС состоят в том, что в них не рассматриваются модели солнечных фотоэлектрических установок, позволяющие оценивать их выходные энергетические характеристики при изменении параметров СИ (плотности потока, спектрального состава) и температуры СЭ. Не в полной мере выявлены особенности совместной работы СФЭУ с остальными элементами системы, в частности не учитывается изменение КПД отдельных устройств в зависимости от мощности проходящих через них потоков энергии. При моделировании работы аккумуляторных батарей часто не рассматриваются такие факторы как влияние температуры свидетельствует о необходимости развития моделей основных элементов САЭС, с учетом особенностей их совместной работы и зависимостей КПД от соответствующих этим моделям методов оптимизации позволит устранить отмеченные недостатки и корректно определить области и территории перспективного применения в САЭС установок на основе ВИЭ.

Актуальность необходимостью обеспечения потребителей, неподключенных к центральной системе электроснабжения, экологически чистой и доступной энергией, современных солнечных фотоэлектрических установок.

Целью диссертационной работы является разработка методики обоснования параметров систем автономного электроснабжения на базе солнечных фотоэлектрических установок, а также выбор областей их перспективного применения.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

поступление солнечного излучения на различно ориентированные поверхности фотоэлектрических установок.

2. Развита методика определения часовых значений скоростей ветра.

3. Разработана методика расчета суточных графиков электропотребления автономных жилых домов.

4. Предложены новые модели фотоэлектрических установок, учитывающие зависимость КПД солнечных элементов от изменения параметров солнечного излучения и температуры.

5. Предложена модель системы автономного электроснабжения, учитывающая функциональные параметры элементов САЭС, особенности взаимосвязи между ними и эффективность их работы от значений потоков энергии, циркулирующих в системе.

6. Разработаны методика, алгоритм и программа обоснования структурной схемы и параметров элементов систем автономного электроснабжения.

электроснабжения и определены районы территории РФ для перспективного использования в САЭС установок на основе ВИЭ.

Научная новизна представленной работы заключается в следующем:

1. Разработана методика, существенно повышающая точность расчета краткосрочных (часовых, минутных) значений плотности потока солнечного излучения, поступающего на различно ориентированные поверхности.

2. Разработаны новые модели функционирования СФЭУ, использующие зависимости КПД солнечных элементов от параметров солнечного излучения (плотности потока, спектрального состава) и температуры.

3. Разработаны программы для моделирования и оптимизации САЭС на основе СФЭУ и определены условия эффективного применения автономных систем.

4. Выполнено районирование территории РФ для перспективного использования в САЭС установок на основе ВИЭ.

Практическая ценность работы заключается в том, что в результате проведенных исследований:

энергетических характеристик солнечных фотоэлектрических установок.

2. Созданы прикладные программы для ПВМ, позволяющие находить оптимальные структурные схемы и параметры элементов автономных систем.

3. Разработаны практические рекомендации по выбору структурных схем и параметров элементов САЭС для районов территории РФ.

Научные положения, выносимые на защиту:

солнечного излучения, поступающих на различно ориентированные поверхности.

2. Модели функционирования фотоэлектрических установок различных типов, учитывающие зависимость энергетической эффективности солнечных элементов от их температуры и параметров солнечного излучения.

3. Методика моделирования работы и оптимизации параметров элементов системы автономного электроснабжения.

Апробация работы Основные положения диссертации доложены на семинарах кафедры «Возобновляющиеся источники энергии и гидроэнергетика» СПбГПУ, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, на заседании Шестой научной молодежной школы «Возобновляемые источники энергии» (2008 г.), на неделе науки СПбГПУ (2006, 2007 г.). По результатам работы опубликовано 10 научных работ, выпущено 1 учебное пособие и сделаны доклады на 33ей и 34ой международной конференции специалистов по фотоэлектричеству (33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, San Diego, CA, May 11–16, 2008, 34th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Philadelphia, PA June 7–12, 2009).

Структура и объем диссертации литературы, приложений. Она содержит 140 страниц машинописного текста, рисунков, 14 таблиц и список используемой литературы из 126 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы научные проблемы, цель и задачи работы, приведены положения, выносимые на защиту, дана оценка новизны и практической значимости полученных результатов, кратко изложено содержание работы.

В первой главе дан анализ проблем, возникающих при электроснабжении автономных потребителей в России, показаны современные тенденции производства и применения солнечных фотоэлектрических установок, перспективность использования в системах автономного электроснабжения рациональный состав САЭС, включающий, как правило, солнечную и ветровую энергоустановки, аккумуляторные батареи, а также резервный источник энергии – бензиновый двигатель-генератор.

Показано, что для корректного моделирования работы САЭС необходимы реальные часовые данные о потреблении электроэнергии, о поступлении СИ на различно ориентированные поверхности СФЭУ и об изменении скорости ветра в течение каждого дня года.

Проведен критический анализ доступных данных о радиационных режимах территорий, интегрально представленных в атласах (Атласы ветрового и солнечного климатов России), климатических справочниках (Научноприкладной справочник по климату СССР) и в компьютерных базах (NASA SSE, WRDC, METEONORM). Выявлено, что в большинстве источников поступающего на горизонтальную или следящую поверхности, которые должны быть пересчитаны в часовые значения с учетом заданной ориентации лучевоспринимающей поверхности СФЭУ. Приведена оценка точности двух основных методов пересчета наблюдаемых значений в часовые данные. Первый из них основан на использовании дневного профиля внеземного излучения (без атмосферы). Второй – на использовании дневного профиля, отражающего поступление СИ при чистом небе. Для получения часовых значений выбран наблюдаемых данных.

Во второй главе диссертации проведен расчет и сопоставление оценок значений плотности потоков СИ по различным методикам (Атвотера, Берда, Перинна, Янга, Геймарда, Винтера, Икбола) для 50 географических пунктов на территории России. Выявлено, что наилучшее совпадение расчетных и наблюдаемых данных при чистом небе позволяет получать методика Берда. Для повышения точности расчетов автором добавлены коэффициенты коррекции, которые определялись на основе метода наименьших квадратов. Такая процедура позволила сократить погрешность расчета до 10 12 %.

Переход к реальным условиям облачности при расчете часовых значений плотности СИ выполнен в предположении, что среднедневной профиль поступления СИ при чистом небе аппроксимирует среднедневной профиль поступления СИ в реальных условиях:

где Eгор i, Eгор i и Eгоррi, Eгор i р часовые значения плотности прямого, диффузного СИ при чистом небе и в реальных условиях; Wгорн, Wгор и Wгор н, Wгор наблюдаемые расчетные среднемесячные дневные суммы прямого и диффузного СИ, падающего на горизонтальную поверхность; i и j номера расчетного часа и дня года.

На основании уточнения расчетных зависимостей автором предложена методика расчета поступления СИ на различно ориентированные поверхности и вычислены часовые значения плотности потока СИ, приходящего на следящие и неподвижные наклонные поверхности СФЭУ. Сопоставление наблюдаемых реальных часовых сумм СИ с расчетными значениями показало хорошую сходимость анализируемых данных, расхождения в основном не превышали 15 % для прямого СИ и 10 % для полного СИ (рис. 1).

Суммы прямого СИ, МДж/м полного СИ на наклонную поверхность (справа) для станции Воейково 17 июля:

---- расчетные значения; значения, вычисленные по наблюдаемым данным Для моделирования работы ветроэлектрической установки разработан алгоритм формирования часовых значений скорости ветра на основе функциональной зависимости:

где u ср.сут наблюдаемые среднемесячные суточные значения скорости ветра, м/с;, параметры функции распределения Вейбулла-Гудрича; C коэффициент вариации.

автономного электроснабжения (рис. 2). Предложена математическая модель САЭС, определены режимы работы её элементов, получены уравнения для потоков энергии, циркулирующих в системе при каждом режиме. Разработаны модели элементов САЭС, учитывающие изменение их КПД в зависимости от значений потоков энергии, циркулирующих в системе.

осуществлено с учетом зависимости изменения его КПД от значений требуемой потребителю электроэнергии в каждый расчетный интервал времени i :

где iпрям КПД инвертора при преобразовании постоянного напряжения в переменное прямоугольное, о.е.; iИНВ КПД инвертора при преобразовании эффективности прибора; k = 0,04 РiПОТР / Рном коэффициент, определяемый значением часового потребления электроэнергии, о.е.; Р ПОТР мощность электропотребления, Вт; Рном номинальная мощность инвертора, Вт.

Рис. 2. Структурная схема системы автономного электроснабжения Моделирование работы бензинового генератора в САЭС осуществлено с использованием регрессионных соотношений:

где qiБГ удельный расход топлива, л/кВт-ч; iБГ КПД бензинового генератора; Pi БГ, Pном и Pi БГ приведенное, номинальное и рабочее значение мощности бензинового генератора, Вт; a0, a1, a2, b0, b1, b2 регрессионные коэффициенты.

Регрессионные коэффициенты найдены по методу наименьших квадратов на примере БГ типа GEKO 2801 E-A/MHBA: a0 = 0,7919, a1 = 1,069, a2 = 0,6771, b1 = 72,906, b2 = 46,394.

Разработана модель аккумуляторной батареи, в которой учитываются изменение температуры электролита, явления старения и саморазряда, а режим работы определяется степенью заряда АБ в каждый расчетный интервал i :

где g i, g i 1 степень заряда аккумуляторной батареи в расчетные интервалы i, i 1, о.е.; i коэффициент часового саморазряда АБ, %/час; I iАБ зарядный (разрядный) ток батареи, А; АБ КПД АБ, о.е.; C°АБ приведенное значение ёмкости АБ с учетом температуры электролита, А-ч.

Значения КПД аккумуляторной батареи при разряде принималось равным единице. При заряде КПД батареи определялось согласно выражению:

средний зарядный ток в промежуток времени i, А; I10 10-ти где I зарi часовой зарядный ток, А; k1 = 20,73, k 2 = 0,55 коэффициенты.

В четвертой главе диссертации выполнена комплексная оценка влияния эксплуатационных факторов (плотности потока и спектрального состава СИ, а также температуры СЭ) на энергетическую эффективность СФЭУ.

Проведено исследование изменения КПД многопереходных и кремниевых элементов от спектрального состава и плотности потока солнечного излучения, падающего на их поверхность при различной ориентации.

Расчет плотности фототока, генерируемого кремниевым элементом или отдельными переходами GaInP/GaAs/Ge многопереходного СЭ, осуществлялся по смоделированным программой SMARTS2 спектральным распределениям потока СИ для различных значений атмосферной массы (АМ). Отличительная особенность работы многопереходных СЭ в реальных условиях эксплуатации состоит в том, что изменение спектрального состава СИ в течение дня приводит к изменению величин фототоков, генерируемых отдельными p-n переходами многопереходного СЭ. В утренние и вечерние часы (АМХ>АМ1,5), когда в спектре превалирует красное излучение, многопереходный СЭ, оптимизированный для стандартных условий АМ 1,5D, будет находиться в режиме ограничения током верхнего (первого) p-n перехода. И наоборот в