УДК 620.92

Определение оптимальных параметров СЭС и их влияние на вырабатываемую электроэнергию

Михалкова Елена Григорьевна – кандидат технических наук, доцент Алматинского университета энергетики и связи (г. Алматы, Республика Казахстан)

Орлеанский Сергей Арнольдович – магистрант Алматинского университета энергетики и связи (г. Алматы, Республика Казахстан)

Аннотация: С учетом глобальной тенденции перехода к "зеленой" энергетике использование солнечной энергии становится все более актуальным. Развитие солнечной энергетики в Казахстане способствует электрификации предприятий, организаций и частного сектора, а также обеспечивает "чистую" электроэнергию в неограниченном объеме. Работа посвящена вопросам определения оптимальных параметров конфигурации солнечной электрической станции (СЭС) вблизи города Жаркент, Казахстан. Основная цель рабо заключается в разработке алгоритма, позволяющего оптимизировать выработку электроэнергии СЭС посредством анализа влияния параметров конфигурации, а именно расстояния между рядами и угла наклона фотоэлектрических модулей (ФЭМ). Полученные результаты позволили продемонстрировать зависимость выработки электроэнергии от конфигурационных параметров СЭС. Применение оптимальных параметров конфигурации СЭС, выявленных в работе, позволит повысить эффективность солнечных электроустановок.

Ключевые слова: параметры СЭС, солнечная энергия, выработка электроэнергии, солнечная электрическая станция.

Введение

Солнечная энергетика представляет собой долгосрочно развивающуюся область исследований и технологического прогресса, ориентированную на использование солнечной радиации для производства электрической энергии. В последние десятилетия наблюдается значительный прогресс в этой области, включая строительство солнечных электростанций, интенсивные научные исследования с целью повышения КПД солнечных установок.

Сегодня актуальность развития солнечной энергетики проявляется в потенциале электрификации предприятий, домашних хозяйств и организаций через установку солнечных станций, что способствует сохранению нефтепродуктов и газа. Строительство крупных солнечных электростанций открывает перспективу производства "чистой" электроэнергии в неограниченных объемах.

В настоящее время существует ряд программных комплексов, предназначенных для расчета выработки солнечной электроэнергии в различных географических точках и с разнообразными конфигурациями солнечных станций. Тем не менее, для повышения эффективности солнечных станций необходим системный подход, способный выявить оптимальные параметры конфигурации.

Описание конфигураций СЭС

На сегодняшний день в сфере солнечной энергетики широко применяются разнообразные конфигурации солнечных электростанций [1] (СЭС). Одним из факторов, влияющих на эффективность СЭС, является расположение фотоэлектрических модулей, которые могут быть установлены в альбомной или книжной ориентации. Различие в ориентации модулей влияет на геометрические параметры солнечной электростанции, включая длину, ширину и высоту фотоэлектрического стола (ФЭС), а также расстояние между рядами модулей.

Альбомное размещение ФЭМ, как показано на рисунке 1, тип А, приводит к уменьшению длины фотоэлектрического стола (далее - ФЭС), но при этом увеличивает его ширину и высоту всей конструкции. Увеличение высоты ФЭС в свою очередь обязывает увеличивать расстояние между рядами модулей для поддержания производительности станции на неизменном уровне. В то время как книжное размещение (рисунок 1, тип Б), наоборот, увеличивает длину, но снижает ширину ФЭС. На практике наиболее распространена конфигурация с альбомной ориентацией и двумя рядами фотоэлектрических модулей, что объясняется определенными преимуществами данной конфигурации.

Рисунок 1. Книжная (А), альбомная (Б) ориентация ФЭМ на ФЭС.

Расстояние между рядами ФЭС, обозначаемое как "d", зависит от количества рядов ФЭМ на одном ФЭС [2]. Следует отметить, что увеличение числа рядов ФЭМ на ФЭС приводит к увеличению высоты самой конструкции и, следовательно, к увеличению расстояния "d," при условии, что требуется сохранить заданный угол падения солнечных лучей α.

Доля времени, в течение которой солнечная станция функционирует с частично затененными рядами ФЭМ, а также площадь, которую занимает сама станция, зависит от расстояния между рядами ФЭМ. Следовательно, для достижения наилучшего баланса между экономией занимаемой площади и повышением эффективности в производстве электроэнергии, необходимо учитывать эти факторы и находить оптимальное соотношение между расстоянием "d", угла "α" и другими параметрами конструкции солнечной станции.

Следовательно, при анализе параметров, воздействующих на эффективность производства электроэнергии в солнечных электростанциях (СЭС), следует в первую очередь обратить внимание на параметр взаимозатенения, который в значительной мере зависит от количества рядов ФЭМ, угла наклона модулей (θ) и расстояния между рядами ФЭС (d).

Расчет параметров конфигурации СЭС

Принято считать, что оптимальное расстояние между рядами ФЭС определяется по формуле: 

                                                                                          (1)

где             D – расстояние от начала первого ряда до следящего, м;

                   x – высота одной или нескольких цепочек ФЭМ, м;

                   θ – угол наклона ФЭМ, °;

                   α – оптимальный угол падения солнечных лучей без взаимозатенения ФЭМ, °.

Следует учесть, что для определения наилучшего угла наклона солнечных панелей в солнечных электростанциях (СЭС), необходимо учитывать местные климатические условия. Это связано с тем, что годовой путь солнца разнится в зависимости от географических координат местоположения СЭС, и это влияет на эффективность производства электроэнергии.

С учетом вышеизложенного, предлагается определить оптимальные параметры конфигурации СЭС, такие как угол наклона солнечных панелей (θ) и расстояние между рядами панелей (d). Для этой цели рассчитывается удельная годовая производительность электроэнергии (Эуд.) в МВт·ч в год на один МВт-пик установленной мощности СЭС. Одновременно следует учесть, что максимальная мощность ограничивается 1 МВт-пик.

Для более глубокого анализа предлагается построить график зависимости удельной годовой производительности электроэнергии (Эуд.) от угла наклона (θ) и расстояния между рядами панелей (d), что позволит определить оптимальные значения этих параметров для СЭС.

Определение характеристик расчетной модели PVSyst

С целью упрощения процесса масштабирования выработки электроэнергии, расчеты будут выполнены для солнечной электростанции с установленной мощностью 1 МВт. В расчетах будут использоваться солнечные фотоэлектрические модули (ФЭМ) производства компании Longi Solar, мощностью 500 Ватт с общим количеством 2000 модулей. Кроме того, в системе установлено 7 инверторов SUN2000-185KTL-INH0-50C от Huawei Technologies, номинальной мощностью 185 киловатт. Потери электроэнергии в постоянных токовых цепях приняты равными 1,5%.

Для проведения расчетов и анализа выбранное оборудование интегрировано в программное обеспечение PVSyst, что показано на рисунках 2 и 3. Это программное обеспечение используется для детального моделирования и оценки работы солнечной электростанции, позволяя оптимизировать производительность системы и выработку электроэнергии на практике.

 

Рисунок 2. Характеристики расчетной модели в PVSyst.

Рисунок 3. Характеристики расчетной модели в PVSyst.

Составление графика вырабатываемой электроэнергии в зависимости от параметров конфигурации СЭС

Исходя из полученных результатов работы [3], в которой произведено сравнение пяти вариантов расположения станции, наиболее благоприятным местом с точки зрения пригодности для строительства СЭС в Южном Регионе является площадка в Жетысуской области Панфиловского района вблизи города Жаркент, координаты которого 44°10'52.35" северной долготы 79°56'10.40" восточной широты.

Максимальный угол наклона площадки вблизи с городом Жаркент, приведенные в работе [3], составил 2,1 ° (таблица 1).

Таблица 1. Угол наклона площадки.

Координаты	Средний уклон, %	Максимальный уклон, %	Максимальный угол наклона, °
44°10'52.35"С 79°56'10.40"В	1,4	3,7	2,1

Для расчета вырабатываемой мощности приняты следующие условия: установленная мощность СЭС в 1 МВт, альбомная ориентация ФЭМ, две цепочки ФЭМ на одном ФЭС, координаты местоположения (рисунок 4).

Рисунок 4. Месторасположение СЭС.

Программный комплекс PVSyst позволяет получить метеоданные от PVGIS в зависимости от заданных координат. Полученные данные о солнечной инсоляции представлены в соответствующей структуре, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Солнечная инсоляция для участка вблизи г. Жаркент.

В окне программы PVsyst, предназначенном для задания угла наклона солнечных панелей (θ) и расстояния между рядами ФЭС (d), как показано на рисунке 6, производится ввод соответствующих значений. После внесения этих параметров выполняется расчет производства электроэнергии.

Рисунок 6. Параметров конфигурации СЭС.

Путем многократного выполнения расчетов для различных комбинаций параметров построен график выработки электроэнергии, приведенный на рисунке 7

Рисунок 7. График зависимости Э_уд.(θ, d).

Исходя из графика зависимости выработки электроэнергии (рисунок 7) можно сделать следующий вывод. Для каждого значения θ существует такое значение d, при повышении которого повышение выработки электроэнергии несущественно. Рассмотрим значение угла θ, при котором возможна наибольшая выработка электроэнергии. Так, для угла θ, равного 30 °, увеличение d с 5 до 7 м (Δd = 2 м) повышает выработку электроэнергии на 8,6%, с 7 до 9 м – 3,1%, с 9 до 11 м – 0,89%, и с 11 до 13 м – 0,32%. Таким образом, для θ = 30 ° увеличение значения d выше 9,5 м кардинально не увеличивает выработку электроэнергии.

Усредняя значения прироста выработки электроэнергии, для диапазона углов от 10 до 50°, отмечается резкое увеличение выработки электроэнергии (на 12,1%) в диапазоне d от 4,6 до 7,8 метров, что обусловлено уменьшением взаимозатенения рядов. В диапазоне d от 7,8 до 11 м увеличение мощности в среднем составляет 2,3%. А в диапазоне d от 11 до 15 м – 0,5%.

По итогу расчетов оптимальными параметрами СЭС определены те, при которых выработка электроэнергии находится в диапазоне 1550-1600 МВт·ч/год (отклонение не более 3% от максимально возможной выработки) при минимальном расстоянии между рядами ФЭС. Т.е. оптимальными параметрами является "d" равное 9,5 м при угле наклона ФЭМ 30°.

Заключение

В работе проведено сравнение различных конфигураций солнечных электростанций (СЭС) и рассмотрены различные варианты ориентации фотоэлектрических модулей (ФЭМ) и их взаимное расположение.

Кроме того, выполнен расчет производительности электроэнергии в программном комплексе PVSyst с целью определения оптимальных параметров конфигурации для потенциально возможной солнечной электростанции, расположенной вблизи города Жаркент. Для расчета применена модель солнечной станции, мощностью в 1 МВт с солнечными панелями Longi Solar, мощностью 500 Ватт и инверторами Huawei, мощностью 185 кВт. Были выделены два параметра, оказывающие наибольшее воздействие на выработку электроэнергии: расстояние между рядами фотоэлектрических модулей (ФЭМ) и угол наклона ФЭМ. В результате расчетов определена и продемонстрирована зависимость выработки э/э от приведенных параметров.

В результате анализа данных были определены оптимальные параметры, угол наклона фотоэлектрических модулей (ФЭМ) в 30 градусов и расстояние между рядами, равное 9,5 метрам.

Список литературы

1. Sheher Bano, Syed Irtiza Ali Shah, Adeel Ahmed Abro, Umbreen Tariq. Sun Tracking And Control Design For PV Solar Energy System / Sheher Bano, Syed Irtiza Ali Shah, Adeel Ahmed Abro, Umbreen Tariq // International Journal of Innovations in Science & Technology – 2022. – c. 77-93
2. Anas Lateef Mahmood, Amina Mahmoud Shakir, Bahaa Abdulkhaliq Numan. Design and performance analysis of stand-alone PV system at Al-Nahrain University, Baghdad, Iraq // International Journal of Power Electronics and Drive System (IJPEDS) – 2020. – Т. 2– с. 921-930
3. Е.Г. Михалкова, С.А. Орлеанский. Оценка солнечного потенциала для определения оптимального месторасположения СЭС в Южном регионе Казахстана / Е.Г. Михалкова, С.А. Орлеанский // Международная научно-техническая конференция «Энергетика, инфокоммуникационные технологии и высшее образование»: электронный сборник научных статей по материалам конференции: [в 3 томах] / / ред.кол. Э.Ю. Абдуллазянов, С.С. Сагинтаева, И.Г. Ахметова, А.А. Саухимов, Ю.С. Валеева, Р.С. Зарипова, Ж.Б. Суйменбаева – Казань: КГЭУ, 2023. – Т. 1. – c. 337-346
4. Свод правил Республики Казахстан: СП РК 4.04–113–2014. Проектирование солнечных электростанций. – Введ. с 01.06.2015. – Астана: Министерство национальной экономики РК, 2015. – 77 с.
5. PVsyst Версия 7.2 [Электронный ресурс]/ Швейцария: PVsyst SA, 2021. – URL: https://www.pvsyst.com.