Репозиторій ЧДТУ
Репозиторій ЧДТУ зберігає і дозволяє легкий і відкритий доступ до всіх видів цифрового контенту, включаючи текст, зображення, анімовані зображення, MPEG і набори даних
Дізнатися більше
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7836Повний запис метаданих
| Поле DC | Значення | Мова |
|---|---|---|
| dc.contributor.advisor | Протасов, Сергій Юрійович | - |
| dc.contributor.author | Петренко, Іван Валерійович | - |
| dc.date.accessioned | 2026-03-11T18:28:06Z | - |
| dc.date.available | 2026-03-11T18:28:06Z | - |
| dc.date.issued | 2023-12 | - |
| dc.identifier.uri | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7836 | - |
| dc.description.abstract | У першому розділі зроблено аналіз характеристик та технічних рішень сонячних перетворювачів та електростанцій. Встановлено основні переваги та недоліки СЕС та її елементів, які використовуються при побудові сучасних сонячних електростанцій. У другому розділі розроблено гібридну сонячну електростанцію для побутових споживачів на основі даних про сонячну інсоляцію в географічних умовах м. Черкаси та складеного профіля навантаження типового приватного будинку. Зроблений розрахунок та проведено аналіз обраного обладнання для гібридної сонячної електростанції. У третьому розділі розроблено комп’ютерну модель, що дозволяє відображати сімейство вольт-амперних (ВАХ) та ват-вольтних (ВВХ) характеристик фотоелектричних панелей залежно від рівня інтенсивності сонячного випромінювання та температури. Розбіжність результатів моделювання з паспортними характеристиками не перевищує 14%, що є допустимим та загальноприйнятим для інженерних розрахунків тим самим підтверджується адекватність запропонованої комп’ютерної моделі. | uk_UA |
| dc.language.iso | uk | uk_UA |
| dc.subject | споживачі електроенергії | uk_UA |
| dc.subject | гібридна сонячна електростанція | uk_UA |
| dc.subject | фотоелектрична панель | uk_UA |
| dc.subject | пакет Matlab | uk_UA |
| dc.title | Розробка гібридної сонячної електростанції для побутових споживачів | uk_UA |
| dc.type | Master Thesis | uk_UA |
| Розташовується у зібраннях: | 141 Електрична інженерія (Електротехнічні системи електроспоживання) | |
Файли цього матеріалу:
| Файл | Опис | Розмір | Формат | |
|---|---|---|---|---|
| Петренко.pdf Restricted Access | 3.75 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити Запит копії |
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИСТЕТ ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ ТА МАШИНОБУДУВАННЯ Кафедра електротехнічних систем «До захисту допущено» Зав. кафедри ЕТС __________ О.О. Ситник (підпис) (ініціали, прізвище) «___»___________2023 р. Кваліфікаційна робота на здобуття ступеня вищої освіти магістра на тему: «Розробка гібридної сонячної електростанції для побутових споживачів» Виконав: здобувач вищої освіти _2_ курсу, групи ЕСЕ-022 Спеціальності: 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» (шифр і назва напряму підготовки, спеціальності) Петренко Іван Валерійович ______________ (прізвище, ім’я, по-батькові здобувача вищої освіти ) (підпис) Науковий к.т.н., доцент Протасов С.Ю. ______________ керівник (вчені ступінь та звання, прізвище та ініціали) (підпис) Нормоконтроль _к.т.н., доцент Ключка К.М.__ ______________ (вчені ступінь та звання, прізвище та ініціали) (підпис) Черкаси 2023 р. 3 РЕФЕРАТ По структурі робота складається зі вступу, трьох розділів основної частини та висновків основних результатів дослідження. Загальна кількість сторінок – 92, рисунків – 45, таблиць – 5, використаних літературних джерел – 34. Метою кваліфікаційної магістерської роботи є підвищення надійності електропостачання побутових споживачів за рахунок власної гібридної сонячної електростанції. На основі мети дослідження, сформульовані такі завдання: 1. Зробити аналіз технічних рішень побудови сонячних електростанцій. 2. Розробити гібридну сонячну електростанцію для типових побутових споживачів енергії. 3. Підібрати елементи для побудови сонячної електростанції. 4. Розробити комп’ютерну модель фотоелектричної панелі. У першому розділі зроблено аналіз характеристик та технічних рішень сонячних перетворювачів та електростанцій. Встановлено основні переваги та недоліки СЕС та її елементів, які використовуються при побудові сучасних сонячних електростанцій. У другому розділі розроблено гібридну сонячну електростанцію для побутових споживачів на основі даних про сонячну інсоляцію в географічних умовах м. Черкаси та складеного профіля навантаження типового приватного будинку. Зроблений розрахунок та проведено аналіз обраного обладнання для гібридної сонячної електростанції. У третьому розділі розроблено комп’ютерну модель, що дозволяє відображати сімейство вольт-амперних (ВАХ) та ват-вольтних (ВВХ) характеристик фотоелектричних панелей залежно від рівня інтенсивності сонячного випромінювання та температури. Розбіжність результатів моделювання з паспортними характеристиками не перевищує 14%, що є 4 допустимим та загальноприйнятим для інженерних розрахунків тим самим підтверджується адекватність запропонованої комп’ютерної моделі. Ключові слова: споживачі електроенергії, гібридна сонячна електростанція, фотоелектрична панель, пакет Matlab. 5 ЗМІСТ ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ ................................................................................................................ 7 ВСТУП ..................................................................................................................... 8 РОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ТЕХНІЧНІ РІШЕННЯ СОНЯЧНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ ...................................................................... 11 1.1 Основні типи перетворювачів сонячної енергії ........................................ 13 1.1.1 Фотоелектричні перетворювачі ............................................................ 14 1.1.2 Геліоелектростанція............................................................................... 19 1.1.3 Сонячний колектор ................................................................................ 22 1.2 Загальні правила експлуатації та сонячних панелей ................................ 25 1.3 Основні види сонячних електростанцій .................................................... 30 1.3.1 Автономна сонячна електростанція ..................................................... 31 1.3.2 Гібридна сонячна електростанція ........................................................ 33 1.3.3 Мережева сонячна електростанція ....................................................... 34 1.4 Основні компоненти сонячної електростанції .......................................... 37 1.5 Висновки до розділу 1 ................................................................................. 47 РОЗДІЛ 2. РОЗРАХУНОК ТА РОЗРОБКА ГІБРИДНОЇ СОНЯЧНОЇ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ ДЛЯ ПОБУТОВИХ СПОЖИВАЧІВ ............................... 48 2.1 Аналіз даних сонячної інсоляції Черкаської області ............................... 52 2.2 Аналіз електричного навантаження середньостатистичного побутового споживача............................................................................................................ 54 2.3 Вибір оптимального кута встановлення сонячних панелей .................... 56 2.4 Вибір інвертора для гібридної СЕС ........................................................... 60 2.5. Визначення необхідної ємності акумуляторних батарей ....................... 63 6 2.6 Розрахунок та вибір кількості ФЕП ........................................................... 66 2.7 Схеми підключення основних елементів гібридної СЕС ........................ 68 2.8 Висновки до розділу 2 ................................................................................. 72 РОЗДІЛ 3. КОМП’ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ФОТОЕЛЕКТРИЧНОЇ ПАНЕЛІ .................................................................................................................. 74 3.1 Математична модель ФЕП .......................................................................... 74 3.2 Комп’ютерна модель ФЕП .......................................................................... 77 3.3 Результати комп’ютерного моделювання ФЕП ........................................ 84 3.4 Висновки до розділу 3 ................................................................................. 86 ВИСНОВКИ ........................................................................................................... 88 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ............................................................. 89 7 ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ АКБ – акумуляторна батарея ВДЕ – відновлювані джерела енергії ГСЕС – гібридна сонячна електростанція ЕЕ – електрична енергія СБ – сонячна батарея СЕС – сонячна електростанція СП – сонячна панель ТМП – точка максимальної потужності ФЕП – фотоелектрична панель ФЕУ – фотоелектричні установки ШІМ – широтно-імпульсна модуляція MPPT контролер – (Maximum power point tracker) контролер спостереження за точкою максимальної потужності для зарядження батареї 8 ВСТУП Актуальність дослідження. Згідно із останніми оцінками середньостатистичному домогосподарству в Україні довелося провести в цілому понад п'ять тижнів без електричної енергії протягом осені-зими 2022 року. Це відповідає перебуванні 34 дні у темряві, інколи за від’ємної температури. На початку 2023 року покрашення майже не відчувалося – температура падала у довгі зимові місяці. Найжахливішим у цій ситуації – це криза, яка розгорнулася на фоні іншої кризи, а саме, що відключення електроенергії означало більше ніж просто неможливість її ввімкнути. Електрична енергія впливає на всі аспекти повсякденного життя, а її відсутність приносить негативні наслідки для громадян. Відсутність електричної енергії ускладнює процеси навчання дітей, виконання робіт, надання медичної допомоги тощо. Пріоритетних напрямком для вирішення даної проблеми та набуття енергозалежності споживачу є використання відновлюваних джерел енергії, які мають значні ресурси – це у свою чергу дозволить знизити негативний вплив енергетики на довкілля, підвищити енергетичну і екологічну безпеку [20, 21]. До таких джерел енергії відносяться відновлювальні джерела енергії, які використовують енергію Сонця, вітру, біомаси тощо, які існують в навколишньому середовищі періодично або постійно та у майбутній перспективі практично невичерпані [1]. У моїй магістерській роботі увага приділяється енергії Сонця, яку людина може використовувати практично в необмежених масштабах, а використання сонячних електростанцій для виробництва електроенергії стало популярним у всіх куточках України. Крім великої енергетики, у якій використовуються потужні сонячні станції, останнім часом найбільшої популярності набувають гібридні сонячні електростанції (ГСЕС), які можуть забезпечувати потреби окремих побутових споживачів, сприяючи тим самим децентралізації її генерування. Такі ГСЕС мають великий потенціал для свого впровадження та знаходять 9 застосування у міській інфраструктурі, приватних домоволодіннях, а також у багатьох інших випадках в яких необхідне надійне електропостачання [20, 21]. Альтернативні гібридні електростанції, до складу яких входять сонячні електростанції є економічною альтернативною традиційному електропостачанню та можуть бути використані для організації електропостачання різних об'єктів [13, 20, 21, 24]. Таким чином, розробка та дослідження технічних рішень щодо виробництва електричної енергії з використанням відновлюваних джерел енергії є актуальною науковою задачею. Метою кваліфікаційної магістерської роботи є підвищення надійності електропостачання побутових споживачів за рахунок власної гібридної сонячної електростанції. На основі мети дослідження, сформульовані такі завдання: 1. Зробити аналіз технічних рішень побудови сонячних електростанцій. 2. Розробити гібридну сонячну електростанцію для типових побутових споживачів енергії. 3. Підібрати елементи для побудови сонячної електростанції. 4. Розробити комп’ютерну модель фотоелектричної панелі. Об'єкт дослідження – гібридна сонячна електростанція. Предмет дослідження – відновлювальні джерела енергії. Методи досліджень. При вирішенні поставлених завдань використовувалися методи статистичної обробки інформації, методи емпіричного дослідження та моделювання. Науковою новизна. Розроблено комп’ютерну модель фотоелектричної панелі, що дозволяє відображати сімейство ВАХ та ВВХ характеристик ФЕП залежно від рівня інтенсивності сонячного випромінювання та температури. Розбіжність результатів моделювання з паспортними характеристиками не перевищує 14%, що є допустимим та загальноприйнятим для інженерних 10 розрахунків тим самим підтверджується адекватність запропонованої комп’ютерної моделі. Апробація роботи. Основні аспекти наукового дослідження магістерської роботи були обговорені на студентській науково-практичній конференції ЧДТУ, яка відбувалася 18-20 квітня 2023 р. 11 РОЗДІЛ 1 ЗАГАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ТЕХНІЧНІ РІШЕННЯ СОНЯЧНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ Сонячна енергія є джерелом світла та тепла і використовується у багатьох технологіях, що постійно змінюються, наприклад, сонячне опалення, фотоелектрична енергетика, сонячна теплова енергія та штучний фотосинтез [28, 29]. Сонячна енергія є основним джерелом відновлюваної енергії. Технології отримання енергії із Сонця можна класифікувати як пасивно- сонячну та активно-сонячну залежно від того, як вони захоплюють та розподіляють сонячне світло або перетворюють його на сонячну енергію. Активні сонячні методи застосовують у фотоелектричних системах, концентраторах сонячного випромінювання та сонячних колекторів для використання сонячної енергії. Пасивні сонячні методи полягають в орієнтування розташування будівлі до Сонця, вибір матеріалів зі сприятливою термічною масою або світло-дисперсійними властивостями і проектування простору, що природним шляхом зможе циркулювати повітря. Велика величина доступності сонячної енергії робить її дуже привабливим джерелом електроенергії. Програма розвитку Організації Об'єднаних Націй у своїй Світовій Енергетичній Оцінці 2000 року встановила, що річний потенціал сонячної енергії був 1,575-49,837 ексаджоулів (еДж). Це в кілька разів більше, ніж загальне світове споживання енергії, що дорівнювало 559,8 еДж у 2012 році [25]. Земля отримує 174000 Терават (ТВт) сонячного випромінювання (інсоляції), що надходить у верхніх шарах атмосфери. Приблизно 30% відбивається назад у космос, решта поглинається хмарами, океанами та сушею. Спектр сонячного світла на поверхні Землі, в основному, поширюється по всіх видимих та ближніх ІЧ-діапазонах з невеликою 12 частиною ультрафіолетового. Більшість населення світу проживає в районах з рівнем інсоляції 150-300 Вт/м2, або 3,5-7 кВт-год/м2 на добу [30, 31]. Сонячне випромінювання поглинається поверхнею Землі суші, океанів, які покривають близько 71% земної кулі та атмосфери. Тепле повітря, що містить воду, яка випаровується із океанів та піднімається в повітря – це призводить до атмосферної циркуляції або конвекції. Коли повітря досягає великої висоти, де температура стає низькою, водяна пара конденсується в хмари, які утворюють опади у вигляді дощу на поверхню Землі, тим самим завершуючи кругообіг води в природі. Приховане тепло конденсації води посилює конвекцію, виробляючи такі атмосферні явища, як вітер, циклон та антициклон. Сонячне світло, що поглинається океанами та континентами, зберігає середню температуру поверхні в 14 °C. Шляхом фотосинтезу, зелені рослини перетворюють сонячну енергію на хімічну, яка виробляє продукти харчування, деревину та біомаси, які є похідними викопного палива [30]. Сумарна сонячна енергія, що поглинається атмосферою Землі, океанами та сушею, становить приблизно 3850000 ексаджоулів (еДж) на рік. У 2020 році було більше енергії за годину ніж світ використовує на рік. Фотосинтез охоплює приблизно 3000 еДж на рік у біомасі. Кількість сонячної енергії, що досягає поверхні планети, настільки велика, що протягом одного року це приблизно вдвічі більше ніж будь-коли буде отримано від усіх невідновлюваних ресурсів вугілля, нафти, природного газу та видобутку урану разом узятих [32]. Потенціал сонячної енергії, яка може бути використана людьми, відрізняється від кількості сонячної енергії, що є на поверхні планети, оскільки такі фактори, як географія, зміна часу, хмарність, доступність землі для людей обмежують кількість сонячної енергії, яку можна отримати. Географічне розташування впливає на потенціал сонячної енергії, оскільки території, що розташовані ближче до екватору отримують більше сонячної радіації. Тим не менше, використання фотоелементів, які можуть слідкувати за положенням сонця може значно збільшити потенціал сонячної 13 енергії на території, що розташована далеко від екватора. Зміна часу впливає на потенціал сонячної енергії, тому що в нічний час на поверхню Землі надходить менша кількість сонячного випромінювання для поглинання сонячних панелей. Це обмежує кількість енергії, яка може поглинати сонячні батареї за один день. Хмарний покрив може вплинути на потенціал сонячних панелей, тому що хмари блокують сонячне випромінювання, що надходить від Сонця і вмішають кількість світла, яка доступна для сонячних батарей. Крім того, доступність Землі має великий вплив на доступність сонячної енергії, тому що сонячні панелі можуть бути встановлені тільки на землі, яка не використовується інакше та підходить для сонячних панелей. Дахи вважаються підходящим місцем для встановлення сонячних батарей, оскільки багато людей виявили, що вони можуть у такий спосіб отримувати енергію прямо зі своїх будинків [20, 21]. Хоча сонячна енергія відноситься, перш за все до використання сонячної радіації для практичних цілей, всі відновлювані джерела енергії, крім геотермальної сили та енергії припливів та відливів, одержують енергію прямо чи безпосередньо від Сонця. З точки зору екологічності та перспективності цей вид енергії є надійним [20]. 1.1 Основні типи перетворювачів сонячної енергії Розрізняють три основні перетворювачі сонячної енергії [4, 6]: 1. Фотоелектричні перетворювачі – напівпровідникові пристрої, що перетворюють енергію сонячного випромінювання в електричну. Декілька об'єднаних ФЕП називаються сонячною панеллю. 2. Геліоелектростанції (Сонячна вежа) – сонячні установки, що використовують висококонцентроване сонячне випромінювання як енергію для приведення в дію теплових та інших машин (парової, газотурбінної, термоелектричної тощо). 14 3. Геліоколектори – сонячні нагрівальні низькотемпературні установки. 1.1.1 Фотоелектричні перетворювачі Фотоелектричні перетворювачі є однією із технологій перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію постійного струму з використанням напівпровідникових матеріалів, які виявляють фотоелектричний ефект – явище, яке зазвичай вивчається в галузі фізики, фотохімії та електрохімії [26]. Система використовує фотоелектричні сонячні панелі, що складаються із кількох сонячних елементів, щоб отримати корисну сонячну енергію (рис. 1.1). Рис. 1.1. Фотоелектрична сонячна панель Процес перетворення є як фізичним так і хімічним. Перша стадія отримання енергії полягає у фотоелектричного ефекту, після якого походить другий електрохімічний процес в якому кристалізовані атоми стають в іонізований ряд створюючи електричний струм. Виробництво електроенергії від сонячних фотоелектричних панелей вже давно вважається як екологічно чистою стійкою технологією, яка спирається на нескінченне і найпоширеніше джерело відновлюваної енергії планети – Сонце. Пряме 15 перетворення сонячного світла на електричну енергію відбувається без будь- яких рухомих частин або емісії в навколишнє середовище у процесі експлуатації. Система добре зарекомендувала себе як фотоелектрична система, що використовується вже понад 50 років у спеціалізованих додатках, а також гібридні фотоелектричні системи, що підключаються до мережі були в експлуатації протягом більше двадцяти років [26]. Прогрес у галузі технологій та збільшення виробничих масштабів призводить до зменшення вартості фотоелементів з того часу, відколи були виготовлені перші сонячні батареї, а середня вартість електроенергії від фотоелемента є конкурентоспроможною порівняно з традиційними джерелами електроенергії в списку географічних регіонів, що розширюється. Чисті вимірювання та фінансові стимули, такі як пільгові закупівельні тарифи на вироблену сонячну електроенергію, підтримують встановлення сонячних фотоперетворювачів у багатьох країнах. З урахуванням сучасних технологій, фотоелектричні перетворювачі окупають енергію, необхідну для їхнього виробництва від 1,5 до 2,5 років у Південній та Північній Європі відповідно [6]. Сонячні ФЕП тепер, після гідро- та вітрової енергії є найпоширенішим джерелом відновлюваної енергії в умовах глобальної встановленої потужності. Понад 100 країн використовують сонячні ФЕП. Установки можуть бути змонтовані на землі (а іноді інтегруються в сільське господарство ) або розташовані на даху чи стіні будівлі [16, 19]. У 2014 році в усьому світі встановлена ФЕП потужність збільшилася принаймні до 177 гігават (ГВт), що достатньо для постачання 1% глобального попиту на електроенергію. Китай, за яким слідують Японія та США є ринком, що найшвидше розвивається, тоді як Німеччина залишається найбільшим у світі виробником із сонячним «сприянням» близько 7% її річного внутрішнього споживання електроенергії [4, 6]. Сонячний елемент або фотоелемент є електричним напівпровідниковим приладом, який перетворює енергію світла 16 безпосередньо в електричну за допомогою фотоелектричного ефекту, який являє собою фізичне та хімічне явище одночасно. Він є одним із типів фотоелементів, що визначається зміною електричних характеристик при вплив світла, таких як напруга або опір. Сонячні елементи є структурними блоками для побудови фотоелектричних модулів, відомих ще назвою – сонячні панелі [18]. Сонячні елементи описуються як фотоелектричні незалежно від того, чи є джерело сонячного світла чи штучного. Вони використовуються як фотоприймач (наприклад, інфрачервоні детектори), виявника світла або іншого електромагнітного випромінювання поблизу видимої області спектра або для вимірювання інтенсивності світла. Робота ФЕП має низку таких вимог: поглинання світла, що створює електронно-діркові пари або ексітони; поділ носіїв зарядів протилежних типів; окреме вилучення цих носіїв у зовнішню мережу. Сонячні батареї, як правило, виготовляються із напівпровідникового матеріалу, які повинні мати певні вольт-амперні характеристики, щоб поглинати сонячне світло. Деякі панелі призначені для перетворення сонячного світла, яке досягає поверхні Землі, тоді як інші оптимізовані для використання в космосі. Сонячні батареї можуть бути виготовлені тільки з одного єдиного шару поглинаючого світло матеріалу (одновузлові) або використовувати кілька фізичних конфігурацій (багатовузлові), щоб скористатися різними поглинаннями та зарядити розділовий механізм. Сонячні елементи можуть бути розділені на перший, другий та третій генеруючий елемент. Перше покоління елементів –звичайні, традиційні або вафельні, вони виготовлені із кристалічного кремнію (комерційно переважна технологія ФЕП, яка включає матеріали, такі як полікристалічний і монокристалічний кремній) (рис. 1.2.). Елементи другого покоління – тонкоплівкові сонячні елементи, які включають аморфний кремній, CdTe і 17 CIGS елементи комерційно значущими в корисності масштабу фотоелектричних електростанцій, створенні інтегрованих ФЕП або в невеликій автономній системі живлення [26, 28]. Рис. 1.2. Монокристалічна та полікристалічна структура ФЕП Третє покоління сонячних елементів включає в себе ряд тонкоплівкових технологій, що часто описуються як фотоелементи, що виникають – більшість з них ще не були комерційно застосовані і все ще знаходяться в стадії дослідження або розробки. Багато використовують органічні матеріали, часто металоорганічні сполуки, і навіть неорганічні речовини. Незважаючи на те, що їх ефективність була низькою, а стабільність абсорбуючого матеріалу була занадто короткою для комерційного використання, існує велика кількість досліджень, що фінансуються, метою яких є досягнення маловартісної та високоефективної сонячної батареї [28]. Сьогодні найсучаснішими матеріалами для фотоелектричних систем перетворення сонячної енергії є мікроморфні покриття – «тонких плівок» на основі кремнію, що є наступним поколінням технології, яка вже зарекомендувала себе на ринку фотоелектричних модулів на основі аморфного кремнію. Типова конструкція гетероструктурного сонячного елемента на основі аморфного та мікроморфного кремнію (рис. 1.3) відрізняється від технології минулого покоління – аморфного кремнію 18 наявністю наноструктурованого «мікроморфного шару», що дозволяє перетворювати більш широкий спектр довжин хвиль випромінювання, який падає на фотоелектричний модуль, тим самим збільшуючи ККД модуля [19]. Рис. 1.3.Структура тонкоплівкових модулів на аморфному кремнії Як правило показники ефективності вимірюють у стандартних умовах тестування (STC) при величині випромінювання, що дорівнює 1000 Вт/м2 і температурі 25° С. Ефективність (ККД) фотоелементів в міру розвитку технологій стає все вищим, а собівартість їх виробництва нижчою. ККД перетворення сонячної енергії в електроенергію різними фотоелементами серійного виробництва, а також теоретичні максимуми і мінімуми досягнуті в лабораторних умовах представлені на рисунку 1.4 [18, 19]. На ефективність сонячних модулів можуть впливати і інші фактори. Особливості будови фотоелементів викликають зниження продуктивності панелей з ростом температури. Часткове затемнення панелі викликає падіння вихідної напруги за рахунок втрат в неосвітленому елементі, який починає виступати в ролі паразитного навантаження. Від даного недоліку можна позбутися шляхом установки байпасу на кожен фотоелемент панелі. Типовий термін служби, який гарантується світовими виробниками кремнієвих панелей складає 10 років на 90% і 20-25 років на 80% від 19 номінальної потужності напівпровідникових фотоелементів. Термін служби кремнієвих фотоелементів може сягати 35 років [18, 19]. Рис. 1.4. ККД технологій перетворення сонячної енергії (2022 рік) 1.1.2 Геліоелектростанція Наприкінці 1940-х років науковці Р. Р. Апарісі, В. А. Баум та Б. А. Гарф розробили наукову концепцію створення геліоелектростанції Сонячної вежі. Вони запропонували відмовитися від складних дорогих криволінійних дзеркал, замінивши їх найпростішими плоскими геліостатами (рис. 1.5) [4]. Принцип роботи сонячних електростанцій баштового типу є досить простим. Сонячні промені, відбиваючись від багатьох геліостатів, прямують на поверхню центрального приймача – сонячного парогенератора, який розміщений на вежі. Відповідно до положення Сонця на небі автоматично змінюється і орієнтація геліостатів. В результаті протягом усього світлового дня 20 концентрований потік відбитих від сотень дзеркал сонячних променів обігріває парогенератор [4]. а) б) в) Рис. 1.5. Конструкції СЕС: а) – параболічні концентратори, б) – СЕС з концентраторами тарілчастого типу, в) – СЕС баштового типу Таке рішення виявилося настільки ж простим, як і оригінальним. Але найголовніше в тому, що з'явилася принципова можливість створити великі СЕС одиничною потужністю в сотні тисяч кВт [26, 27]. З того часу концепція теплової сонячної електростанції баштового типу здобула світове визнання. Тільки наприкінці 1970-х років такі станції потужністю від 0,25 до 10 МВт були побудовані в США, Франції, Іспанії, Італії та Японії [29]. У сонячних електростанціях баштового типу, які зараз знаходяться в експлуатації, використовуються нові конструкції та системи, що використовують розплавлені солі (40% нітрату калію, 60% нітрату натрію) як робочі рідини. Ці робочі рідини мають більш високу теплоємність, ніж морська вода, яку використовували в перших експериментальних установках. Технологічна схема сучасної сонячної теплової електростанції представлена на рисунку 1.6 [30]. 21 Рис. 1.6. Технологічна схема сучасної сонячної теплової електростанції Одним із недоліків СЕС баштового типу є необхідні великі земельні площі для їх спорудження, але це не можна порівняти із площами де видобувається паливо для роботи традиційних електростанцій. Ще одиним недоліком баштових СЕС є їхня висока матеріаломісткість. Безумовно, чи зможе СЕС повернути за розрахунковий термін експлуатації ту енергію, яку було витрачено на виготовлення обладнання та отримання матеріалів, витрачених на її будівництво [31]. Дійсно, такі установки матеріаломісткі, але суттєво те, що практично всі матеріали, з яких будуються сучасні баштові сонячні електростанції не є дефіцитними. Економічні розрахунки, проведені після запуску в роботу перших сучасних баштових СЕС показали їх високу ефективність і досить вигідні терміни окупності [9]. Можна навести значну перевагу баштових СЕС порівняно з ГЕС у площі отримання енергії, що дорівнює 169 га/МВт, – це набагато більше за показники СЕС. Причому при спорудженні ГЕС нерідко затоплюються дуже цінні родючі угіддя, а баштові СЕС будують в пустельних районах – на землях, які не придатні для землеробства, а також для будівництва промислових об'єктів [29-31]. 22 Ще один резерв підвищення ефективності баштових СЕС — створення гібридних станцій, в яких сонячні установки працюватимуть спільно із звичайними тепловими на традиційному паливі. На комбінованій станції в години інтенсивного сонячного випромінювання паливна установка знижує свою потужність, а розганяється в похмуру погоду і в період пікових навантажень. 1.1.3 Сонячний колектор У Центральній Азії на кожен квадратний метр поверхні, що знаходиться перпендикулярно до сонячних променів, падає 800…1000 Вт енергії за 1 годину, тобто приблизно 1 кВт/год [28]. Популярність сонячних колекторів підтверджується тим фактом, що їхня загальна встановлена потужність в Україні на кінець 2017 року досягла 1 ГВт. Вони особливо ефективні для нашого клімату з березня по жовтень, коли найвища інтенсивність впливу сонячних променів. Сонячні панелі допомагають нагрівати воду та підтримувати систему опалення (рис. 1.7) [9]. Рис. 1.7. Система опалення та гарячого водопостачання з установкою сонячного колектора 23 Загалом конструкція установки, яка включає сонячний колектор є складною і складається з [19]: − датчика фіксації температури в накопичувальному баку та сонячному колекторі; − накопичувального або розширювального бака; − циркуляційного насосу; − датчики температури для підігріву води за умови недостатності нагрівання від сонячного колектора; − сонячний регулятор. Існують три типи сонячних колекторів: − відкриті сонячні колектори; − вакуумні сонячні колектори; − плоскі сонячні колектори. Відкриті колектори – оснащені поверхнею з гуми чи пластику, які мають високий коефіцієнт поглинання сонячних та світлових променів. В даному колекторі його поверхня не покривається склом (рис. 1.8) [19]. Рис. 1.8. Відкриті сонячні колектори Застосовується у відкритих геліосистемах для нагрівання води в басейнах та дозволяє знизити витрати газу на обігрів до 50...70%, що в наш час дуже суттєво. 24 Колектор відкритого типу доцільно використовувати у теплих країнах. В Україні рекомендується застосовувати лише у південних регіонах країни. Вакуумний колектор – є удосконаленим варіантом колектора відкритого типу (рис. 1.9). Особливістю даного колектора є використання вакууму як високоефективного утеплювача. Вакуум знаходиться між зовнішнім склом та теплопоглинаючою поверхнею колектора. Така конструкція дозволяє суттєво знизити тепловтрати та знизити залежність продуктивності колектора від температури навколишнього середовища та погоди (вітер, опади, хмарність). Підвищення ефективності вакуумного колектора пов'язане також із його роботою за принципом дзеркального ефекту (рис. 1.9), який полягає у вирівнюванні теплової потужності колектора залежно від висоти сонця [17]. Вакуумні колектори виготовляються двох видів [17]: − трубчасті – являють собою герметичні вакуумні труби; − плоскі – являють собою пластини, вакуум у яких підтримується насосами. Рис. 1.9. Вакуумні сонячні колектори 25 Вакуумний плоский колектор відрізняється від звичайного плоского колектора наявністю в середині системи вакууму для зниження тепловтрат (рис. 1.10) [19]. Плоский вакуумний колектори мають високу продуктивність у порівнянні з іншими плоскими колекторами, але його поширення обмежується його дороговизною. Також такий колектор дуже складно встановлювати та експлуатувати. Рис. 1.10. Вакуумний плоский колектор 1.2 Загальні правила експлуатації та сонячних панелей Однією з головних умов повернення інвестицій, вкладених у розробку та будівництво сонячної електростанції є постійний технічний догляд за сонячними батареями та іншими елементами системи (проводи, контролери, інвертори, АКБ (якщо є), електротехнічні вироби [18, 19]. Важливою умовою правильної роботи та окупності системи сонячної електростанції є наявність особи (або служби), відповідальної за експлуатацію та моніторинг системи. Якщо налагоджено моніторинг роботи системи, то обслуговування сонячних панелей та інших елементів системи не становить великих труднощів. 26 Моніторинг включає кілька важливих параметрів оцінки функціонування сонячної електростанції [18, 19]: - стану кріпильних елементів системи сонячних панелей. Послаблення, відсутність та корозія кріплень сонячних панелей може призвести до виходу з ладу системи; - стану кожного фотоелектричного модуля. При початковій інсталяції обов'язково необхідно перевіряти кожен модуль на працездатність, тому що навіть один модуль у системі призведе до великих втрат у генерації системи сонячної електростанції; - інверторів, як основного силового елементу системи, що перетворює постійний струм від сонячних панелей на змінний, які мають властивість накопичувати пил і перегріватися. Своєчасне очищення інверторів від пилу і особливо вентиляторів охолодження, здатна суттєво продовжити термін експлуатації системи сонячної електростанції та не знижувати її ККД. Це стосується всіх типів інверторів, у тому числі й зовнішньої установки, призначених навіть для серйозних кліматичних умов експлуатації; - заземлення, що є важливим елементом безпеки будь-якої електричної системи. Перевірка стану контактів та ізоляції провідників обов'язково та регулярно потрібно проводити на сонячній електростанції; - стан проводів, надійність контактів у місцях їх з'єднань, механічні пошкодження електроізоляційних трубок, в яких прокладені електричні проводи; - розташування системи та її доступність для обслуговування і ремонту, відсутність затінення сонячних панелей від перешкод, що з'являються на сонячному світлу – все це впливає на оптимізацію роботи сонячної електростанції; - найпростіша та важлива частина моніторингу та експлуатації – підтримання чистоти сонячних панелей системи генерації. Чисті сонячні панелі дають не менше 15 – 20% збільшення (вірніше «не втрати») у генерації СЕС; 27 Виробники зазвичай рекомендують проводити планові роботи з обслуговування сонячних панелей та елементів системи щонайменше 2-х разів на рік. Але реальна частота проведення таких робіт залежить від умов розташування та експлуатації СЕС. Це можна доручити спеціалізованій організації або організувати власними силами. Регулярне обслуговування сонячної електростанції – запорука своєчасного повернення інвестицій [18]. Крім того, хотілося б зайвий раз згадати велику істину – дешеве не може бути якісним. Тому не варто встановлювати дешеві панелі, дуже важливо придбати товар належної якості та у перевірених постачальників. Наслідки встановлення неякісних сонячних панелей може призвести до їх пошкодження, а також до займання панелей. Загальні правила. Крім конкретної монтажної технології, існує кілька загальних вимог. Освітленість. Сонячні батареї потрібно розміщувати у самому освітленому місці (дах будівлі, фасад). При цьому неприпустимі ніякі затінення (навіть часткові) робочої поверхні панелі. Напрямок. ФЕП треба встановлювати на південному схилі покрівлі, у цьому випадку потік сонячних променів, що падають на їхню поверхню, буде максимальним. Кут. Монтувати панелі власноруч потрібно під кутом до горизонту. Кут нахилу залежить від географічної широти місця (збігається з нею). Однак для збільшення продуктивності системи цей кут краще варіювати. Так, влітку його потрібно збільшити приблизно на 12°, а взимку, відповідно зменшити на 12°. Якщо таке рішення неможливе, то кут вибирається постійним та рівним географічній широті. Обслуговування. Забруднення поверхні сонячних панелей призводить до відчутного (не менше 10%) зниження їхньої продуктивності. Тому їх потрібно систематично очищати від пилу або снігу. Це необхідно передбачити до монтажу геліополя. 28 При встановленні батарей на землі (зазвичай такий варіант використовують на дачах або приватних будинках) їх потрібно обов'язково підняти приблизно на 50 см від рівня ґрунту (щоб робоча поверхня не була перекрита снігом, що випав). Якщо вироби використовуватимуться лише влітку, піднімати їх необов'язково. Ще один аспект, який потрібно обов'язково врахувати, щоб правильно встановити сонячні панелі для приватного будинку – тип покрівлі [18]. Кожен дах має свої особливості, які зрештою можуть зіграти вирішальну роль щодо технології установки. Важливе значення має навіть колір покрівлі. Темні дахи дуже сильно нагріваються від сонця, що неминуче призведе до перегрівання ФЕП. У місцях встановлення батарей слід передбачити додаткове світле покриття. Плоскі покрівлі [18]. По суті, плоска покрівля – найкращий варіант для розміщення сонячних батарей, достатньо придбати спеціальні опорні рами, які слід зорієнтувати на південь та закріпити їх під потрібним кутом. Більш того, в цьому випадку можна легко регулювати кут нахилу відповідно до пори року і тим самим підвищувати енергоефективність. Обслуговувати та очищати панелі у цьому випадку також дуже просто. Якщо потрібно розмістити батареї у кілька рядів, то опорні рами вибираються багатоярусними. Похилі покрівлі [18]. На похилих покрівлях сонячні батареї монтуються за допомогою спеціальних кріплень, які постачаються в комплекті разом ними. При цьому обов'язково враховується матеріал даху (черепиця, профнастил, металочерепиця тощо), тому що для кожного матеріалу розроблено окремі типи кріплень та окремі монтажні технології. Порушувати або міняти їх неприпустимо. Монтаж панелей на похилому даху виконується з обов'язковою витримкою зазору між панеллю та покрівлею для забезпечення вільної циркуляції повітря та охолодження фотопанелі. 29 Додаткові умови [18]. Якщо встановлення сонячних панелей проводиться у кілька рядів, то між рядами необхідно витримати певну відстань. Це робиться для того, щоб верхні батареї не затіняли нижні. Проміжок між рядами має становити мінімум 1,7 від величини ряду (висоти батареї). Також потрібно залишати зазори між сусідніми панелями у ряду. Зробити це необхідно для забезпечення зручності кріплення, підключення та обслуговування кожної ФЕП. При монтажі панелей слід враховувати і довжину комутаційних кабелів. Чим вона менша, тим меншими будуть втрати напруги, а значить, і енергії. Причому це стосується як з'єднань між самими панелями, так і кабелів, які ведуть до іншого обладнання (контролера, АКБ тощо). Наприклад, довжина кабелю від АКБ до контролера має перевищувати 4 м. Кріплення [18]. Закріплюються батареї щонайменше у 4-х точках. При цьому треба враховувати, що більшість монтажних рам та кріплень розраховано на фіксацію по довгій стороні, тобто батарея має бути орієнтована вертикально, а не горизонтально. Найчастіше для кріплення панелей застосовуються притискні фіксатори або болтові з'єднання через краї монтажних рам. У будь-якому випадку використовувати потрібно тільки спеціально призначені для цього пристосування, тільки вони гарантують надійну фіксацію батарей. Так як неправильна установка, а також не якісна сонячна панель може спричинити загоряння необхідно придбати вогнегасник. 30 1.3 Основні види сонячних електростанцій Електрична станція – це станція для виробництва електричної енергії або теплової [20]. Всі електростанції поділяються на види, залежно від їхнього джерела енергії: гідроелектростанції, теплові електростанції, атомні електростанції, вітроелектростанції та інші [22]. Зазвичай електростанції працюють в одному з трьох режимів: − автономний – у випадку, коли крім електростанції інших джерел енергії (припустимо електромережі) немає; − резервний – у випадку, коли електромережа живлення споживачів є основною, а електростанція включається лише при перебоях роботи; − спільна робота з головною мережею – такий варіант можливий за умов живлення великих потужностей або для перекриття стрибків (піків) напруги; Генерація електроенергії за допомогою сонячних станцій є перспективним напрямком альтернативної енергетики, що динамічно розвивається [23]. Трансформуючи сонячну енергію в електричний струм, дані системи дозволяють постачати споживачам без прив'язки до центральної електромережі. Системи електропостачання, засновані на перетворенні сонячної енергії, включають чотири основні складові: сонячні панелі, контролер заряду, інвертор, акумуляторний блок [2]. Дані вузли необхідні для безперебійного функціонування сонячної електростанції. Сукупність сонячних панелей виступає у ролі пристрою, що перетворює сонячне світло на електричну енергію та є ключовою ланкою в системі трансформації сонячного випромінювання в електроенергію. Сполучені разом фотоелектричні модулі формують масив, розмір якого визначає кількість енергії, що виробляється системою в цілому [2, 3]. 31 Контролер заряду – один із принципово важливих приладів, що входять до системи сонячної електростанції. Він регулює напругу, що генерується масивом сонячних батарей та контролює правильність і ефективність заряду акумуляторної батареї - щоб не було підвищеного чи зниженого рівня заряду. Контролер заряду є необхідним пристроєм у сонячних електростанціях із системою накопичення енергії [18, 19]. Акумуляторна батарея призначена для накопичення та зберігання енергії, виробленої сонячною станцією. Як правило, використовуються спеціалізовані акумуляторні батареї, що мають тривалий термін служби та розроблені спеціально для автономних систем [17]. Інвертор – пристрій на вхід якого надходить енергія, накопичена акумуляторною батареєю або від контролера сонячних батарей безпосередньо. Інвертор перетворює постійний струм в змінний, який потім використовується для роботи побутового електрообладнання. Потужність інвертора характеризується у ватах та визначає потужність побутових приладів, які можуть бути підключені до інвертора. У більшості випадків необхідно використовувати інвертори із синусоїдальною формою вихідного сигналу, тобто «чистий синус». Для електропостачання будинку знадобиться продуктивний інвертор – з показником потужності близько 2-4 кВт [7]. 1.3.1 Автономна сонячна електростанція Автономна сонячна електростанція не взаємопов'язана з центральною електромережею і використовується тоді, коли немає можливості підключення до ліній електропередач або дана процедура економічно невигідна (рис. 1.11.). У тих випадках, коли приватні доволодіння знаходяться в глибинці, генерування електроенергії за допомогою сонячних джерел енергії є найбільш доцільним та дешевим у процесі експлуатації. Основним недоліком електростанції на сонячних батареях є необхідність 32 початкових вкладень в обладнання, потужність якого потрібно правильно розрахувати із врахуванням навантаження [14]. Рис. 1.11. Структура автономної сонячної електростанції Переваги: • своя власна безкоштовна електроенергія, не прив'язана до тарифів. • на відміну від бензинових і дизельних генераторів, не шумить і не потребує палива. Недоліки: • висока вартість; • обмежений термін служби через акумуляторні батареї; • запас енергії, обмежений ємністю батарей. 33 1.3.2 Гібридна сонячна електростанція Гібридна СЕС поєднує в собі автономну та мережеву станції і може як накопичувати електричну енергію в АКБ, так і продавати надлишки, здійснювати заряд АКБ як від центральної мережі, так і від фотоелектричних панелей (рис. 1.12). Перевагою роботи гібридної СЕС є те, що можна змінювати у налагодження гібридного інвертора. Гібридні інвертори дорожчі у порівнянні з мережевими, але вони можуть функціонувати за відсутністю зовнішньої мережі, як автономні СЕС. У цьому і полягає головна перевага гібридних СЕС [18, 19]. Рис. 1.12. Структурна схема гібридної сонячної електростанції Перебої з електричною енергією не впливають на споживача, також повний розряд АКБ малоймовірний при відсутності сонячної енергії, тому що електроенергію можна отримати із зовнішньої мережі і підзарядити АКБ. Гібридні інвертори в залежності від моделі дозволяють автоматично 34 запускати бензо- дизельгенератори, якщо АКБ розряджені та немає можливості отримати енергію від зовнішньої електричної мережі в аварійній ситуації на ЛЕП. Таким чином, в гібридній СЕС є кілька джерел електроенергії: сонячна, від акумуляторних батарей, від мережі та від генератора. У більшості гібридних інверторах є можливість налаштовування пріоритетного джерела. Наприклад, можна в день споживати енергію тільки від сонячних модулів, а ввечері - від мережі зовнішнього електропостачання, не використовуючи при цьому АКБ, при цьому продовжуючи їх експлуатаційний ресурс. Заряд АКБ від сонячних панелей у гібридній СЕС здійснюється за допомогою контролера заряду, він може бути як гібридним так і вбудованим в інвертор. Система з індивідуальними контролерами заряду не може здійснювати живлення приватного будинку оминаючи АКБ безпосередньо від сонячних батарей. В цьому випадку, перш за все заряджаються АКБ, від яких постійний струм надходить до гібридного інвертора, а потім відбувається трансформація постійного струму в змінний, який необхідний для живлення побутових електроприладів. По комплектації гібридні СЕС схожі з автономними і мережевими станціями. Для захисту від перенапруги та короткого замикання система СЕС комплектується релейним захистом та автоматикою, яка розміщується у розподільних щитках. До систем захисту відносяться запобіжники, обмежувачі перенапруги, роз'єднувачі, ставиться додатковий захист на АКБ від короткого замикання, а також від зворотних струмів та перевантаження. 1.3.3 Мережева сонячна електростанція Мережеві сонячні електростанції фізично підключені до загальної електромережі і тому не можуть функціонувати у випадку відключення мережі [18, 19]. 35 Розглянемо детальніше принцип роботи мережевих електростанцій. Електроенергія, вироблена сонячними панелями на даху будівлі або наземлі, надходить по проводах до мережевого інвертора, який перетворює струм з постійного на змінний із параметрами промислової мережі (220/380В, 50 Гц в Україні), який надходить в мережу приватного будинку і споживається електроприладами. За законами електротехніки, енергія споживається від найближчого джерела енергії, а найближчим джерелом енергії є сонячна електростанція. Якщо сонячної енергії недостатньо, до неї додається електроенергія із електромережі. Енергії може не вистачати із різних причин. Наприклад, СЕС перестає генерувати енергію вночі або занадто хмарно, щоб виробляти необхідну кількість електроенергії або ж багато споживачів працюють, і електростанція не взмозі забезпечити електроенергією всіх споживачів [18, 19]. Рис. 1.13. Структурна схема мережевої сонячної електростанції 36 Якщо енергія, необхідна для живлення навантаження, дорівнює електроенергії, яка вироблена сонячними панелями, то енергія з мережі не додається і живлення із мережі немає. І в третьому випадку, якщо прилади споживають не всю енергію Сонця, а лише частину, надлишок енергії подається в загальну мережу. Це відбувається тому, що інвертор подає цю надлишкову енергію в мережу під напругою всього на кілька вольт вище напруги мережі, створюючи різницю потенціалів, і струм протікає в зворотному напрямку, тобто в електромережу. Важливо також розуміти, що якщо в будинку встановлено звичайний лічильник і він не приєднаний до «зеленого» тарифу, тому більшість звичайних сучасних лічильників сприйматимуть енергію, яка отримується з мережі спожитою [11, 12]. Існують способи запобігти цьому, недопускаючи витоку надлишкової енергії в мережу. Встановлюючи так звані «розумні обмежувачі», за допомогою них можна знизити продуктивність інверторів при наявності надлишкової енергії. Іншим методом є встановлення «брандмауерів», які автоматично передають надлишкову енергію резервним споживачам (наприклад, нагрівальним елементам у водонагрівачах). Але ці методи розглядаються тоді, коли немає можливості приєднатися до «зеленого» тарифу або немає такої цілі. У більшості випадків мережеві електростанції будуються для продажу надлишків електроенергії за «зеленим» тарифом [11, 12]. Існує ще один дуже важливий фактор, коли електростанції експлуатуються за «зеленим» тарифом – це двосторонні лічильники, які встановлюються на заміну звичайним лічильникам при підписанні договору із постачальником електроенергії. Лічильник підраховує спожиту електроенергію, я також енергію що відпускається в мережу та передає всі дані на сервер енергетичної компанії через GSM-канал та інші засоби комунікації. Якщо різниця позитивна, тобто якщо сонячна електростанція виробляє занадто багато електроенергії, а мережа споживає дуже мало, енергетична компанія зараховує вироблену «зелену» енергію на свій рахунок [11, 12]. 37 1.4 Основні компоненти сонячної електростанції Фотоелектрична панель. Сонячна батарея або фотоелектрична панель – основним принципом дії є перетворення сонячного випромінювання в електричний струм. ККД звичайної сонячної панелі на даний час знаходиться приблизно в 10-35%, але також в деяких лабораторних умовах вже отримані результати до 45% [18]. Принцип роботи сонячної електростанції, побудованої на застосуванні фотоелектричних модулів досить простий. Фотоелектричні елементи об'єднують у невелику сонячну панель, які управляються одним блоком керування СЕС. Фотомодулі батареї, коли випромінюється достатня кількість світла, виробляють постійний електричний струм, який перетворюється завдяки інвертору в напругу змінного струму промислової частоти для живлення споживачів або якщо є надлишки електричного струму, що йде на зарядження АКБ і запасає електроенергію для можливих найближчим часом потреб. Залежно від сполук кремнію в структурі фотомодуля, вони всі загалом поділяються на [18, 19]: • модулі, що складаються з монокристалів; • модулі полікристалічні; • аморфні сонячні модулі. Кремнійорганічні сонячні панелі є основними складовими будь-якої електростанції, заснованої на використанні сонячної енергії [2]. Кремній фотомодулів сонячних панелей, разом із різними домішками – утворює «p-n» перехід у фотоелементі, з якого сонячна енергія перетворюється на електричну [29]. 38 Рис. 1.14. Мобільна фотоелектрична панель, виготовлена на основі аморфних фотомодулів Однією з важливих характеристик сонячних батарей є їх виготовлення (рис. 1.14). Батареї з тонких монокристалів кремнію мають відносно високу вартість, характеризуються тривалим терміном експлуатації та високою стабільністю. Зниження потужності батареї за десять – двадцять років експлуатації не перевищує десяти відсотків. До недоліків сонячних батарей на основі монокристалів кремнію відносять крихкість та низька механічна міцність фотоелементів. Батареї на основі полікристалічного кремнію мають меншу вартість, але також меншу стабільність вихідної потужності. ККД таких батарей може перевищувати тридцять відсотків [18, 19]. Сучасні технології дозволяють також виготовляти тонкоплівкові фотоелементи з аморфного кремнію. Термін служби таких панелей становить близько десяти років, коефіцієнт корисної дії близько десяти відсотків. До переваг тонкоплівкових панелей відносять низьку вартість і малу масу батарей. Контролер зарядження акумуляторів в складі СЕС забезпечує необхідний графік зарядження в залежності від типу підключеного акумулятора [18, 19]. 39 З робочих характеристик фотоелектричних панелей видно [7], що для досягнення найбільшої ефективності потрібний правильний підбір опору навантаження. Для цього фотоелектричні панелі не підключають безпосередньо до навантаження, а використовують контролер управління фотоелектричною системою, який забезпечує оптимальний режим роботи панелей. Стандартно в контролерах застосовується широтно-імпульсна модуляція (ШІМ) для забезпечення повного зарядження акумулятора [17]. Сучасні моделі контролерів використовують метод спостереження за точкою максимальної потужності MPPT (Maximum Power Point Tracking) сонячної батареї [17, 18, 19]. Типовий MPPT-контролер постійно відстежує струм і напругу на сонячній батареї, перемножує їх значення і визначає пару струм – напруга, при яких потужність сонячна батарея буде максимальною. Вбудований процесор також відстежує, на якій стадії зарядження знаходиться акумулятор (наповнення, насичення, вирівнювання, підтримка) і на підставі цього визначає, який струм повинен подаватися в акумулятори. Одночасно процесор може видавати команди на індикацію параметрів та дисплей (при наявності), зберігати дані тощо [17]. Положення точки максимальної потужності (ТМП) залежить від декількох параметрів: від освітленості модуля, температури, різнорідності використовуваних модулів тощо. Контролер може робити періодичні спроби трохи «відійти» від знайденої на попередній стадії точки в обидві сторони, і якщо потужність при цьому збільшується, то він переходить на роботу по цій уже точці. Теоретично при пошуку ТМП втрачається небагато енергії, але ця втрата незначна у порівнянні з додатковою енергією, якою забезпечує MPPT контролер, особливо в хмарні дні. На рисунку 1.15 зображено зміщення точки максимальної потужності в залежності від зовнішніх умов [17]. 40 Рис. 1.15. Зміщення точки максимальної потужності фотоелемента В даний час з'являються рішення, які засновані на основі «Оптимізаторів потужності» сонячних панелей (Power optimiser). По своїй суті ця оригінальна ідея є методом приєднання до кожної сонячної панелі індивідуальних, зменшених копій сонячних контролерів зарядження з MPPT за винятком функції контролю і зарядження акумулятора, яку при необхідності виконує окремий центральний пристрій. Оптимізатори дозволяють скоротити втрати енергії пов'язані з різницею показників потужності, яка пов’язана з різною освітленістю сонячних панелей, що з'єднані у загальний електричний ланцюг за допомогою вбудованого індивідуального для кожної панелі dc-dc перетворювача [18, 19]. Найбільш значних успіхів у цій сфері домоглася ізраїльська компанія Solar Edge [17], вироби якої вже використовуються по всьому світу. Пропозицією на вітчизняному ринку контролерів зарядження для систем сонячної енергетики обмежена одним виробником компанією ТОВ "GreenChip-Україна", що серійно випускає дану продукцію, але її пропозиції можна використовувати для проектування та розробки ФЕУ [18]. Сонячні 41 контролери від компанії «GreenChip-Україна» мають високі характеристики, ефективно використовують алгоритм стеження за точкою максимальної потужності, але в той же час мають надлишкову потужність для малогабаритних автономних джерел сонячної енергії. Акумулятор. Найбільш поширеним типом акумуляторних батарей (АКБ) є свинцево-кислотні, як з рідким електролітом так і герметизовані (VRLA). В автономних системах частіше зустрічаються АКБ виконані за технологією AGM і GEL (гелеві) [18, 19]. AGM (Absorbent Glass Mat, що абсорбує скловолокно) – це технологія виготовлення свинцево-кислотних акумуляторів. Відмінність батарей AGM від класичних в тому, що в них міститься абсорбований електроліт, просочений рідким електролітом пористий заповнювач відсіків корпусу зі скловолокна, а не рідкий, що дає ряд змін у властивостях акумулятора [17]. Переваги технології AGM: − Конструкція не вимагає обслуговування. − Конструкція герметична і має клапанне регулювання, що запобігає витоку кислоти і корозії клем. − Висока стійкість до глибоких розрядів (> 0,5C). − Більш безпечна робота: при правильному зарядженню батарей виключається можливість виділення газів і небезпеки вибуху. − Герметична конструкція дозволяє встановлювати батарею майже в будь-якому положенні (проте установка догори дном не рекомендується). − Впевнена робота при низьких температурах (нижче -40 0С). − Підвищена вібростійкість, що збільшує термін служби. У GEL акумуляторі електроліт згущений силікагелем. Це робить його ще більш стійким до глибоких розрядів, а й більш дорогим. У загальному випадку термін служби подібних акумуляторів доходить до 12 років в буферному режимі. У циклічному режимі кількість 42 гарантованих циклів розряду в залежності від його глибини може становити від 500 до 3500. Менш частіше використовуються літій-іонні акумулятори з літій- залізо-фосфатним (LiFePO4) катодом в конструкції, які мають високу вартість та проблеми функціонування при низьких температурах, а також вимог до їх утилізації. Застосування лужних NiMh акумуляторів вимагає застосування більш складних контролерів зарядження для компенсації «ефекту пам'яті», але їх застосування досить виправдано, так як вони не містять важких металів, і відповідно, вони не шкідливі для навколишнього середовища і не вимагають спеціальної переробки при утилізації [17]. На вітчизняному ринку в області електрохімічних накопичувачів енергії для ФЕУ складається така тенденція. У ході дослідження було знайдено одного виробника перспективних промислових літій-залізо- фосфатних (LiFePO4) акумуляторів ТОВ «Atmosfera», застосування яких дозволить значно збільшити термін служби енергоустановки в цілому. Товариство з обмеженою відповідальністю «Atmosfera» – є дочірнім підприємством Нідерландської компанії «VICTRON ENERGY». Компанія «Atmosfera» створена для реалізації в нашій країні проекту з виробництва сучасних літій-іонних акумуляторів (ЛІА) [17]. Варто звернути увагу на те, що крім безперечних переваг, літій-іонні акумулятори мають один істотний недолік, а саме, якщо заряджати такий акумулятор при його низькій температурі він швидко виходить з ладу. У той же час при розрядженні акумулятора при низькій температурі проблем не виникає. Необхідно передбачити теплоізоляцію і підігрівання літій-іонного акумулятора для його нормального зарядження в зимовий період. Також викликає питання низька напруга 3,2 В акумулятора-комірки у зарядженому стані. Для нормального функціонування більшості сонячних контролерів зарядження акумуляторів необхідно комплектувати акумуляторну збірку з напругою стандартного ряду: 12В, 24В, 36, 48 тощо. Ця особливість сформована під впливом типових напруг свинцево-кислотних акумуляторів, 43 які широко використовувалися в автономних фотоелектричних установках раніше, а також це обумовлено значними омічними втратами через відносно великий струм при низькій напрузі. Літій-залізо-фосфатні акумулятори (LFP) це лише один з різновидів сімейства літій-іонних накопичувачів. Актуальні показники густини енергії для акумуляторів представлені графіком на рис. 1.16. В даний час зберігання енергії одне із найбільш слабких місць в автономних фотоелектричних системах електропостачання. Характеристики більшості існуючих акумуляторів (табл. 1.1) обмежують їх термін служби 6-7 роками в циклічному режимі. Збільшення термінів експлуатації елементів можна очікувати внаслідок появи і можливого застосування доступних іоністорів, що вагомо вплине на вартість експлуатації і окупність подібних пристроїв [17]. Рис. 1.16. Густина енергії різних типів акумуляторів 44 Таблиця 1.1 Характеристики електрохімічних накопичувачів енергії (2022 р.) [17] № Характеристики NiMH Lead Acid Li-ion Li-ion п / п кислотні polymer 1 Енергетична густина 60-120 30-50 110-160 100-130 W∙год / кг) 2 Внутрішній опір 200-300 <100 150-250 200-300 (включаючи внутрішні схеми), при 6В при 12В при 7.2В при 7.2В мОм 3 Число циклів повного 300-500 200-300 500- 300-500 зарядження / розрядження 1000 (при зниженні до 80% від початкової ємності) 4 Час швидкого зарядження 2-4 год. 8-16 год. 2-4 год. 2-4 год. 5 Стійкість до перезарядження низька висока дуже низька низька 6 Саморозрядження за місяць 30% 5% 10% ~10% (при кімнатній температурі) 7 Напруга елемента ном. 1.25В 2В 3.6В 3.6В 8 Струм навантаження 5C 5C >2C >2C - піковий 0.5C і 0.2C 1C і 1C и - оптимальний нижче нижче нижче 9 Температура при експлуатації -20 до -20 до -20 до 0 до (тільки розрядження) 60°C 60°C 60°C 60°C 10 Типова вартість $60 $25 $100 $100 (для порівняння US $) (7.2В) (6В) (7.2В) (7.2В) 11 Вартість на цикл (US $) $0.12 $0.10 $0.14 $0.29 12 Початок комерційного 1990 1970 1991 1999 використання Інвертор (DC/ACconverter) – невід'ємна та дуже важлива частина СЕС. Цей пристрій, по-перше, необхідно вибрати правильно, а по-друге, правильно встановити. По суті, інвертор – це серце системи, тому що основне його завдання: трансформація постійного струму в змінний. Зазвичай інвертор є генератором періодичної напруги за формою наближеної до синусоїди або дискретного сигналу [7]. Так як ККД сонячної панелі не перевищує 20-30%, то використання інвертора з невеликим ККД знизить ефективність СЕС до нерентабельної. 45 Інвертори напруги можуть застосовуватись у вигляді окремого пристрою (рис. 1.17) або входити до складу джерел та систем безперебійного живлення апаратури електричною енергією змінного струму [7]. Рис. 1.17. Загальний вигляд сонячного інвертора напруги Методи технічної реалізації інверторів та особливості їх роботи. 1. Ключі інвертора повинні бути керованими (вмикаються і вимикаються за сигналом управління), а також мати властивість двосторонньої провідності струму. Як правило, такі ключі отримують шунтування транзисторів зворотними діодами. Виняток становлять польові транзистори, у яких такий діод є внутрішнім елементом його напівпровідникової структури [7]. 2. Регулювання вихідної напруги інверторів досягається зміною імпульсу напівхвилі. Найбільш просте регулювання досягається регулюванням тривалості (ширини) імпульсу напівхвилі. Такий спосіб є найпростішим варіантом методу ШІМ-сигналів [7]. 3. Порушення симетрії напівхвиль вихідної напруги породжує побічні зававди при перетворенні з частотою нижче основної, включаючи можливість появи постійної складової напруги, яка не допустима для ланцюгів, що містять трансформатори [7]. 46 4. Для отримання керованих режимів роботи інвертора, ключі інвертора та алгоритм управління ключами повинні забезпечити послідовну зміну структур силового ланцюга, які називаються прямим, коротко замкнутим та інверсним [7]. 5. Миттєва потужність споживача p(t) пульсує з подвоєною частотою. Первинне джерело живлення повинно допускати роботу із пульсуючими та навіть змінюючими знак струмами споживання. Змінні складові первинного струму визначають рівень перешкод на затискачі джерела живлення [7]. Таким чином, основна функція сонячних інверторів – перетворення постійного струму в змінний струм напругою 220 В, що дозволяє використовувати отриману енергію на побутові потреби. Існує кілька видів перетворювачів енергії сонця. Автономний інвертор сонячних батарей [7]. Це обладнання дає можливість перетворити струм акумуляторного ланцюга. Тобто отриманий змінний струм може використовуватися для того, щоб живити будь-які побутові електроприлади. Потужність такого інвертора лежить у діапазоні 100…8000 Вт. Щоб вибрати потрібну потужність, попередньо розраховується необхідна кількість енергії виходячи з побутових приладів, що постійно підключаються до мережі та іншого обладнання. Процес підрахунку дуже простий. Все, що потрібно знати – потужність кожного пристрою за одиницю часу. Синхронні інвертори [7]. З їх допомогою можна зберегти надлишок отриманої енергії та перенаправити її у загальну мережу. Якщо норма споживання електроенергії об’єкта зросла, то пристрій просто візьме потрібну кількість із загальної мережі. Перевага: можливість одержувати енергію під час аварійних форс-мажорних ситуацій. Інвертори багатофункціональні [7] – одні із найефективніших приладів. Звичайно, відрізняються за вартістю та не є бюджетним варіантом. Хоча все залежить від розумно підібраної всієї СЕС та її оптимізації під потреби саме споживача. 47 Слід зауважити, що інвертори можуть бути, залежно від напруги на виході, двох типів: синусоїдального та меандрового. Синусоїдальний інвертор сонячних батарей – варіант для високочутливої техніки, тому що на виході напруга його практично така ж, як і в основній електромережі. Тобто, купуючи саме такий агрегат, можна бути впевненим у постійності величини напруги, а отже і безпеки споживачів. У будь-якому випадку, купівля дешевого варіанту інвертора – це однозначно заощаджені гроші, але не висока якість роботи, а отже, і можливі питання щодо оптимальної роботи електроприладів. 1.5 Висновки до розділу 1 У першому розділі зроблено аналіз характеристик та технічних рішень сонячних перетворювачів та електростанцій. Встановлено основні переваги та недоліки СЕС та її елементів, які використовуються при побудові сучасних сонячних електростанцій. Проведений аналіз в першому розділі дає змогу здійснити розрахунок та розробити на його основі ефективну гібридну сонячну електростанцію для енергозабезпечення середньостатистичного побутового споживача. 48 РОЗДІЛ 2 РОЗРАХУНОК ТА РОЗРОБКА ГІБРИДНОЇ СОНЯЧНОЇ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ ДЛЯ ПОБУТОВИХ СПОЖИВАЧІВ Використання сонячних батарей узгоджується з використанням інших джерел електроенергії, але на відміну від них, сонячні панелі залежать від кількості світла, що падає на їх поверхні [9]. Наприклад, у похмуру погоду хмари можуть значно знизити вихідну потужність фотоелектричних панелей до 50%, і навіть незначні дефекти сонячних елементів можуть знизити ефективність тієї ж партії панелей. Тому, щоб гарантувати необхідну потужність, елементи вихідного струму потрібно розсортувати. Наприклад, коли ви намагаєтеся вставити водопровідну трубу меншого діаметру у водопровідну трубу досить великого діаметру, потік води, природно, зменшиться. Те ж саме відбувається, якщо параметри ланцюга сонячних батарей різні. Кремнієві сонячні батареї неможливо описати простим законом Ома, оскільки вони є нелінійними елементами. Замість цього для пояснення поведінки компонента можна використати кілька простих кривих – вольт- амперну характеристику (ВАХ) (рис. 2.1). Рис. 2.1. Вольт-амперна характеристика фотоелемента 49 Під час переходу від одного компонента до іншого в межах партії та від одного виробника до іншого напруга холостого ходу, створювана одним компонентом, може відрізнятися приблизно на 0,6 В. Це значення не залежить від розміру компонента. Струм залежить від інтенсивності світла та розміру компонента, тобто його площі поверхні. Елемент розміром 100х100 мм в 100 разів перевершує елемент розміром 10х10 мм, тому при однаковому освітленні він вироблятиме в 100 разів більше струму [25]. Таким чином, якщо поступово навантажувати сонячний елемент, можна отримати типовий графік залежності потужності та струму від напруги, як показано на рисунку 2.2 [25]. Рис. 2.2. Залежність потужності елемента та струму від напруги сонячного елемента Пікова потужність відповідає напрузі близько 16 В. Таким чином, щоб правильно оцінити якість сонячного елемента, а також для порівняння елементів між собою в однакових умовах, необхідно навантажити його так, щоб вихідна напруга дорівнювала 15 В. Після того, як сонячні елементи підібрані до роботи, необхідно їх змонтувати. Серійні елементи мають струмознімальні сітки, які призначені для припаювання до них провідників [22]. 50 Одним із важливих аспектів роботи сонячного елемента є його температурний режим. Так, при нагріванні одного елемента всього на один градус вище за норму (25 оС) він може втратити в напрузі близько 0,002 В, тобто 0,4%/градус [14]. На рис. 5.3 представлено криву ВАХ для температур 25 оС і 60 оС. Рис. 2.3. ВАХ за різної температури У сонячний день різні елементи можуть нагріватися до 60-70 oC і втрачати 0,07-0,09 відповідно. Ця причина є однією з основних причин падіння напруги, що призводить до зниження ККД сонячної батареї Поточний ККД звичайних сонячних батарей коливається не більше ніж на 10-16%. Це означає, що елемент 100х100 мм може видавати 1…1,6 Вт за стандартних умов [18]. Всі фотоелектричні системи можна розділити на два типи: автономні та мережеві. Автономні системи зазвичай складаються з набору сонячних модулів, акумуляторів, контролерів заряду та розряду акумулятора та з’єднувальних кабелів, розміщених на опорній конструкції або даху. Сонячні модулі є основним компонентом побудови фотоелектричних систем і можуть бути виготовлені з будь-якою вихідною напругою [18, 19]. 51 При наземному використанні вони зазвичай використовуються для заряджання акумуляторних батарей з номінальною напругою 12 В. У цьому випадку зазвичай 36 сонячних елементів з'єднуються послідовно і герметизуються за допомогою ламінації на склі, текстоліті, алюмінію. Елементи при цьому знаходяться між двома шарами герметизуючої плівки без повітряного проміжку за технологією вакуумної ламінації. У випадку з повітряним проміжком між захисним склом та елементом втрати на відбиття та поглинання досягають 20-30 % порівняно з 12 % без повітряного проміжку [18]. Електричні параметри сонячного елемента представляються як і окремого сонячного елемента у вигляді вольт-амперної кривої за стандартних умов (StandardTestConditions), тобто, при сонячній радіації 1000 Вт/м2, температурі – 25 оС і сонячному спектрі на широті 45о (АМ1,5) [18]. Рис. 2.4. Крапки максимальної потужності Крапка, в якій крива перетинає вісь напруги, називається напругою неробочого ходу U0, крапка перетину з віссю струмів називається струмом короткого замикання Iкз (рис. 2.4). Показник максимальної потужності визначається стандартом STC (Стандартні умови тестування). Напруга при максимальній потужності є 52 максимальною напругою потужності (робоча напруга-Up), а відповідний струм у цей час є струмом максимальної потужності (або робочим струмом- Ip). Модуль складається з 36 комірок із середньою робочою напругою приблизно від 16 до 17 В (тобто приблизно 0,45….0,47 В на комірку) при стандартній температурі 25 oC. Слід зазначити, що напруга неробочого ходу модуля мало впливає на освітленість, тоді як струм короткого замикання та відповідний робочий струм пропорційні освітленості. Тому при нагріванні в реальних умовах експлуатації модуль нагрівається до температури 60-70 0С, що відповідає зсуву точки робочої напруги, наприклад, від 17 В до 13,7-14,4 для модуля з робочою напругою 17 В (0,38-0,4 В на комірку) [19]. 2.1 Аналіз даних сонячної інсоляції Черкаської області Для розрахунку сонячної електростанції було використано інформацію щодобового надходження сонячної енергії для міста Черкаси згідно з даними NASA [15]. Дані для аналізу сонячної енергії були взяті за період з 1 січня 1988 року по 1 січня 2023 року. Знаючи значення за тривалий період, можна спрогнозувати, з високою ймовірністю, сонячну радіацію до кінця 2023 року. Профілі надходження сонячної енергії протягом 2023 року представлені рисунку 2.5. Рис. 2.5. Графік надходження сонячної енергії протягом 2023 року [2] 53 У Черкасах континентальний клімат із жарким літом і помірно холодною зимою. Однак він помітно пом'якшується Кременчуцьким водосховищем, що безпосередньо впливає на територію на відстані 0,5-1 км. Середня температура у січні – 8,6 °C, середня температура липня 28,9°C. Абсолютний максимум температури зафіксовано 2 серпня 2016 року, він дорівнював +42,5°C. Попередній рекорд становив +39°C (липень 1984 р.). Абсолютний мінімум – 29,4°C (1 січня 1979 р.). Середньорічна температура – +9,4°C. Різниця між температурою в місті Черкаси і на прилеглих територіях у середньому становить 1,2°C і 4,5°C взимку [15]. Середня кількість опадів – 560 мм на рік, з яких третина припадає на холодну пору року. Характерні великі коливання річних (від 355 мм 1965 року до 615 мм в 1966 році) і місячних сум опадів, часті посушливі періоди, трапляються посухи. Кількість сонячних годин (днів) на рік – 2113 годин (285 днів) [6]. На рисунку 2.6 представлена карта території України з усередненими значеннями середньорічної середньомісячної сумарної сонячної радіації. Рис. 2.6. Усереднені значення середньорічної середньомісячної сумарної сонячної радіації 54 2.2 Аналіз електричного навантаження середньостатистичного побутового споживача Під електричним навантаженням розуміють величину потужності, яка споживається окремими електроприймачами або їх групами. При проектуванні електропостачання будь-якого об'єкта, в тому числі і житлового або дачного будинку, головне правильно визначити електричні навантаження, які є основою для вибору всіх елементів системи і в першу чергу енергоджерела. Від правильного прогнозування навантажень (визначення розрахункових навантажень) залежить капіталовкладення у систему електропостачання, експлуатаційні витрати, стабільність і надійність роботи споживачів [18, 19]. Споживання електричної енергії (потужності) за звітний період формується виходячи з інтегральних значень споживання електричної енергії чи підставі договірної величини електричної енергії (за відсутності статистичної інформації). Розрахунковий профіль споживання електричної енергії (потужності) – погодинний обсяг споживання формується шляхом розподілу обсягу електричної енергії, пропорційно до розрахункових коефіцієнтів за обраний типовий робочий та вихідний день з використанням типового добового графіка навантаження. У таблиці 2.1 представлено відомості про споживання електричної енергії за добу середньостатистичним побутовим споживачем приватного сектору [18, 19]. Одна сонячна електростанція може задовольнити потреби багатьох споживачів за умови, якщо сумарна потужність споживачів не перевищує потужність СЕС. Споживчий список містить постійні (освітлення) або непостійні (чайник, мікрохвильова піч) навантаження. Непостійні навантаження поділяються на дві категорії, одні працюють з фіксованими інтервалами, а інші з плаваючими (холодильник). Тому дуже важливо правильно визначити загальну вихідну потужність гібридної сонячної 55 електростанції. Для того, щоб зменшити витрати на сонячну енергію, також необхідно скласти таблицю за часом і ввести час навантаження (табл. 2.2). Таблиця 2.1 Відомості про споживання електричної енергії за добу № Навантаження Потужність, Напруга, Час роботи, Споживання, Вт В год/доб Вт·год/доб 1 Мікрохвильова 1250 220 0,25 310 піч 2 Чайник 1000 220 0,5 500 3 Холодильник 250 220 6 1500 4 Ноутбук 70 220 5 350 5 Телевізор 100 220 6 600 6 Освітлення 100 24 6 600 7 Інші споживачі 100 24 3 300 8 Разом 2920 - - 4160 Таблиця 2.2 Графік зміни навантаження за добу 1. Мікрохвильова - 1300 - - - 1300 - - - 1300 - - - - піч 2. Чайник 1000 - - - 1000 - - - 1000 - - - - - 3. Холодильник 250 4. Телевізор - - 100 - - - 100 - - - 100 - 100 - 5.Ноутбук - - - 70 - - - 70 - - - - 70 - 6. Освітлення - - 100 - - - 100 - - - 100 - 100 - 7.Інші споживачі - - - 100 - - - 100 - - - 100 - - Споживач 7:30 до 7:40 7:40 до 7:45 7:45 до 8:00 8:00 до 12:30 12:30 до 12:40 12:40 до 12:45 12:45 до 13:00 13:0 до 18:30 18:30 до 18:40 18:40 до 18:45 18:45 до 19:00 19:00 до 20:00 20:00 до 24:00 24:00 до 07:30 56 2.3 Вибір оптимального кута встановлення сонячних панелей Розрахунок оптимального кута встановлення сонячних панелей проводимо згідно з методикою [14]. Для визначення щоденного випромінювання похилого даху приватного будинку необхідно середньомісячне надходження сонячного випромінювання кВт/год/місяць на майданчик, що має той же кут нахилу, що і сонячні панелі, розділити на кількість днів місяця. Зробимо розрахунок для місяця серпень, оскільки це середина року. Нахил Сонця (кут між лінією, що з'єднує центри Землі та Сонця та її проекцією на площину екватора) у середньому дні місяця, град: 360 ⋅ (284 + n) 360 ⋅ (284 + 228) δ = 23,45 ⋅sin = 23,45 ⋅sin = 22 , 365 365 де n – порядковий номер дня, відрахований від 1 січня (номер середнього розрахункового дня кожного місяця року). Для решти місяців розраховуємо аналогічно та заносимо отримані дані до таблиці 2.3. Таблиця 2.3 Кут нахилу Сонця по місяцях δс, град Місяць -21,27 Січень -13,29 Лютий -2,82 Березень 9,41 Квітень 18,79 Травень 23,31 Червень 21,52 Липень 22,0 Серпень 13,78 Вересень -9,60 Жовтень -19,00 Листопа д -23,34 Грудень 57 Для забезпечення умов поглинання сонячної енергії сонячними панелями, їх поглинаюча поверхня повинна бути орієнтована на південь з кутом нахилу βопт, який визначається за виразом βопт =ϕ р −δс. де ϕ р – широта місцевості, де розглядається проектування СЕС. Розрахунок здійснюємо табличним способом, дані заносимо до таблиці 2.4. Таблиця 2.4 Оптимальний кут встановлення фотоелементів βопт, град Виходячи із результатів розрахунків, які представлені у таблиці 2.4, оптимальним кутом нахилу сонячних батарей для повного автономного постачання побутового споживача становитиме 45 градусів. Розрахунок будемо проводити для зимового місяця, оскільки це найнесприятливіший місяць [14]. Знайдемо годинний кут заходу Сонця для похилої поверхні з південною орієнтацією ωзп = arccos −tg (ϕ − β ) ⋅ tgδ = arccos −tg (45 − 90 ) ⋅ tg (−21,27 ) = 91,6 . де ϕ – широта місцевості, град; Місяць 26,73 Січень 34,71 Лютий 45,8 Березень 57,41 Квітень 66,76 Травень 71,31 Червень 69,52 Липень 61,78 Серпень 50,22 Вересень 38,4 Жовтень 29 Листопад 24,66 Грудень 58 β – кут нахилу поверхні сонячної батареї до горизонту; β=45◦ градуси, оскільки він найоптимальніший нашій місцевості. Годинний кут заходу (сходу) Сонця для горизонтальної поверхні: ωз = arccos[−tgϕ ⋅ tgδ ] = arccos −tg (48 ) ⋅ tg (−21,27 ) =115,7. Середньомісячний коефіцієнт перерахунку прямого сонячного випромінювання з горизонтальної на похилу поверхню cos(ϕ − β )cosδ ⋅sinωзп + (π R = 180) ⋅ωзп ⋅sin (ϕ − β ) ⋅sinδ n = cosϕ ⋅cosδ ⋅sinωз + (π 180) ⋅ωз ⋅sinϕ ⋅sinδ cos(48− 45)cos22 ⋅sin91,6 + (π 180) ⋅91,6 ⋅sin (48− 45) ⋅sin 22 = = 0,87. cos48 ⋅cos22 ⋅sin115,7 + (π 180) ⋅115,7 ⋅sin 48 ⋅sin 22 де ���� – кут нахилу сонячної батареї до горизонту, град; Коефіцієнт перерахунку з горизонтальної площини на похилу з південною орієнтацією дорівнює сумі трьох складових, що відповідають прямому, розсіяному та відбитому сонячному випромінюванню Ep Ep ⋅ (1+ cosβ ) ρ ⋅ (1+ cosβ R ) = 1− ⋅Rn + + = E 2E 2 1 0,6 0,87 0,6 1+ 0,72 0,2 1+ 0,72 = − ⋅ + + + ⋅ =1,3. 0,96 0,96 2 2 де Ер – середньомісячна добова кількість розсіяного сонячного випромінювання, що надходить на горизонтальну поверхню (табл. 2.5) згідно з даними NASA [15]. 59 Ep/E – середньомісячна денна частка розсіяного сонячного випромінювання; Rп – середньомісячний коефіцієнт перерахунку прямого сонячного випромінювання з горизонтальної на похилу поверхню; β – кут нахилу поверхні сонячної батареї до горизонту; β=45◦ – найоптимальніший кут розглянутої місцевості. Розрахунок кута взятий згідно з оптимальним використанням та отриманням сонячної енергії, так як панелі стаціонарні і не повертаються за Сонцем, а також відсутня система нахилу, тоому взимку, сонце низько, панель має бути – аналогічно, влітку – навпаки. Тому кут взятий 45◦. ρ – коефіцієнт відображення (альбедо) поверхні Землі та оточуючих тіл, що зазвичай приймається рівним 0,7 для зими і 0,2 для літа, приймаємо для зимового часу, щоб уточнити кількість енергії, що припадає на Землю. Таблиця 2.4 Оптимальний кут встановлення фотоелементів Якщо сонячні панелі встановлюються під деяким кутом β до горизонту, то середньомісячна добова кількість прямої сонячної енергії, що надходить на похилу поверхню, може бути знайдена за виразом ����серпень = ���� ∙ ���� = 1,23 ∙ 0,96 = 1,1808 кВт ∙год / м2 Ер, (кВт∙год / Місяць м2/день 0,7 Січень 1,1 Лютий 1,6 Березень 2,1 Квітень 2,5 Травень 2,7 Червень 2,5 Липень 2,2 Серпень 1,7 Вересень 1,2 Жовтень 0,07 Листопад 0,6 Грудень 1,6 Разом 60 де ����серпень – середньомісячна денна сумарна кількість прямої сонячної енергії, що надходить на горизонтальну поверхню, кВт∙год/м2/день. Це в свою чергу показує, що під кутом 45 градусів, наші панелі працюватимуть у номінальному режимі, відповідно ККД установки знижуватиметься через температуру, що в свою чергу показує необхідність проведення подальших досліджень. Але для проектування СЕС враховуємо лише перерахунок енергії на похилу поверхню. 2.4 Вибір інвертора для гібридної СЕС Вибір інвертора одна із найважливіших задач при розробці СЕС. У цьому підрозділі визначимо основні параметри інвертора [7]: Вхідна напруга. Рекомендується обирати клас напруги: - 12 В при потужності до 600 Вт, - 24 В при потужності від 600 до 1500 Вт, - 48 В при потужності понад 1500 Вт. У нашому випадку приймаємо до встановлення інвертор на напругу 48 В. Число ампер-годин на тиждень, яке необхідне для покриття навантаження змінного струму, визначається за формулою: q P ⋅ t 4160 ⋅20 доб = = =1734 А∙год. U 48 Номінальна та пікова вихідна потужність. Номінальна вихідна потужність інвертора повинна дорівнювати сумі потужностей всіх споживачів. Однак, насправді частіше роблять вибір за навантаженням з максимальною потужністю. 61 Захист. Якісний інвертор повинен мати максимальну кількість захистів: - від високої та низької напруги акумуляторної батареї; - від короткого замикання (КЗ) по виходу; - від перевантаження по виходу; - від перегрівання. Наявність захистів запобігатиме виходу з ладу в аварійних ситуаціях. ККД. Коефіцієнт корисної дії сонячного інвертора в кінцевому рахунку визначає скільки енергії буде витрачено марно (просто на те, щоб він працював). Сучасні моделі мають ККД 90-95%. При ККД нижче 90% більше 10% енергії буде марно витрачено, що не допустимо для сонячної електростанції. Приймаємо гібридний інвертор для сонячних батарей ANERN 5,5 кВт AN-SCI02-5500 PLUS+WiFi (рис. 2.7) [19]. Особливості інвертора ANERN 5,5 кВт AN-SCI02-5500 PLUS+WiFi: - чистий синусоїдний інвертор; - 1 трекер MPPT; - вбудований Wi-Fi для мобільного моніторингу (потрібен додаток); - зарезервовані порти BMS (RS485, CAN-BUS, RS232); - регульований діапазон вхідної напруги для рідинно-кристалічній панелі керування; - Налаштування таймерів та пріоритетів використання виходу AC/PV; - є можливість налаштування пріоритетного джерела зарядного пристрою за допомогою рідинно-кристалічної панелі керування; - є можливість налаштування струму батареї відповідно до програми через рідинно-кристалічну панель керування; - струм зарядження акумулятора можна регулювати відповідно до програми за допомогою рідинно-кристалічній панелі 62 Рис. 2.7. Гібридний інвертор ANERN 5,5 кВт AN-SCI02-5500 PLUS+WiFi Технічні характеристики: • Номінальна потужність: 5500VA/5500W. Вхідні дані: • Напруга: 230 VAC. • Діапазон робочої напруги: 170-280 VAC змінного струму (для персональних комп'ютерів); 90-280 VAC змінного струму (для побутової техніки). • Діапазон частот: 50 Гц/60 Гц (автоматичне визначення). Вихідні дані: • Регулювання напруги змінного струму (Акумуляторний режим): 230VAC ± 5%. • Перенапруга: 11000VA. • Ефективність (пікова): 90-93%. • Час переключення між джерелами живлення (акумулятор/мережа): 15 мс (для персональних комп’ютерів); 20 мс (для побутової техніки) • Форма хвилі: Чиста синусоїда. Сонячний зарядний пристрій і зарядний пристрій змінного струму 63 • Тип сонячного зарядного пристрою: MPPT. • Максимальна потужність PV масиву: 6000W. • Діапазон MPPT при робочій напрузі: 120 ~ 450 VDC. • Максимальна напруга холостого ходу PV масиву: 500 VDC. • Максимальний зарядний струм: 120A. Фізичні дані: • Розміри, ГхШхВ (мм) 133х297х472. • Вага (кг) 10,5. • Комунікаційний інтерфейс USB/RS232/RS485/WiFi. Робоче середовище: • Вологість: Відносна вологість від 5% до 95% (без конденсації). • Робоча температура: 0°C до 50°C. • Температура зберігання: -15°C до 60°C. • Рівень захисту: ІР21. 2.5. Визначення необхідної ємності акумуляторних батарей Визначимо сумарну ємність акумуляторів, яка враховує кількість днів без сонця qN = qдоб ⋅Nбс =1734 ⋅1=1734 А∙год. Для визначення оптимальної кількості АКБ необхідно врахувати, що чим більша глибина розряду, тим швидше батареї вийдуть з ладу. Рекомендується враховувати значення глибини розряду 20…50%. Відповідно коефіцієнт використання γ складе від 0,2 до 0,5. Заряд акумулятора із врахуванням глибини розряду 64 q qN 1734 γ = = = 867 А∙год. γ 0,5 З урахуванням місця зберігання АКБ у побутовому приміщенні, що температура цього приміщення буде не менше 21 0С, приймаємо коефіцієнт α, який враховує температуру навколишнього середовища в приміщенні 1,14. Таким чином, загальна ємність акумуляторних батарей: qΣ = qγ ⋅α = 867 ⋅1,14=988,4 А∙год. Згідно з отриманою ємністю, визначимо тип акумуляторної батареї, який буде використовуватися. У моїй розробці запропоновано використовувати AGM акумулятори 12v (свинцево-кислотні батареї). MERLION AGM GP122000M8 12 V 200 Ah ( 530 х 250 х 277 ) Q1 (рис. 2.8) [17]. Рис. 2.8. АКБ MERLION AGM GP122000M8 Акумулятори серії MERLION AGM чудово зарекомендували себе при використанні в багатьох пристроях, таких як: навігаційні прилади, телекомунікаційні, освітлювальні, охоронні системи, електротранспорт. 65 Особливо широко герметизовані акумулятори серії MERLION AGM застосовуються в побуті, наприклад, в міні-електростанціях та генераторах, де не потрібне спеціальне обслуговування. Акумулятор MERLION AGM GP122000M8 відрізняється великим терміном служби та відмінним циклічним ресурсом при роботі в режимі глибокого розряду: при розряді 80% акумулятори цієї серії здатні видати до 1000 циклів. Акумулятор має досить низький показник саморозряду – 2%, низький внутрішній тиск та мінімальний показник газовиділення. Акумулятор MERLION AGM GP122000M8 має міцну посилену конструкцію, укомплектований захисними ковпачками для полюсів, сполучними планками. Відповідає стандартам ICAO, IATA та DOT. Технічні характеристики: - кількість елементів: 6; - напруга: 12 В; - номінальна ємність: 200 A / год при 20 годинному розряді до 1,75 В на елемент при 25 °C; - вага: 55,5 кг (Допуск ± 2%); - внутрішній опір: 4 мОм; - тип клем: F10 (M8); - максимальний струм розряду 2000 А (5 с.) ; - максимальний зарядний струм: 60 A; - напруга заряду в буферному режимі: 13,5 В ~ 13,8 при 25 °С; - напруга заряду в циклічному режимі: 14,4 В ~ 15 В при 25 °С; - нормальний діапазон робочих температур: 25 ± 5 °C. Вибираємо тип та кількість акумуляторних батарей, які будуть використовуватись у нашій енергосистемі. Для визначення паралельно з'єднаних АКБ необхідно розділити загальну необхідну ємність батарей qΣ на номінальну ємність вибраної акумуляторної батареї, а отримане значення округлити до найближчого цілого. Це буде кількість батарей, з'єднаних паралельно: 66 N пар q 867 АКБ = Σ = =4,3 ≈ 4 одиниць. qном 200 Розрахуємо кількість послідовно з'єднаних АКБ, для цього необхідно розділити номінальну напругу постійного струму системи U інв на номінальну напругу акумуляторної батареї N пос U = інв 48 АКБ = =2 одиниць. U АКБ 12 Повна кількість акумуляторних батарей складе N = N пос пар АКБ АКБ ⋅NАКБ = 4 ⋅2=8 одиниць. 2.6 Розрахунок та вибір кількості ФЕП Приймаємо до встановлення сонячні батареї Longi Solar LR4-72HPH 450W з полікристалічного кремнію (рис. 2.9), так як кількість похмурих днів досить висока протягом року, а як відомо, полікристалічний кремній здатний вловлювати розсіяне світло, що виходить із Сонця [18]. Технічні характеристики: − максимальна потужність Pmax=450 Вт; − толерансом потужності 0~+5%; − напруга при Pmax Vmp =41,5 В; − струм при Pmax Imp = 10,85 А; − напруга розімкнутого контуру Voc = 49,3 В; − струм короткого замикання Іsc = 11,6 А; − ефективність модуля 20,7 %; − освітленість - 1000 Вт / кв. м; 67 − температура елементів - 25 ° C, AM1.5 спектр, згідно EN 60904-3; − середнє відносне зниження ефективності на 3,3% при 200 Вт/кв.м згідно з EN 60904-1. Рис. 2.9. Сонячна батарея Longi Solar LR4-72HPH 450W Відповідно до методики [14] необхідна ємність з урахуванням втрат на заряд-розряд акумуляторної батареї qз− р = qдоб ⋅ξ = 703,35 ⋅1,2=844,02 А∙год. де ξ =1,2 – поправочний коефіцієнт на заряд-розряд АКБ. Значення струму, який повинні генерувати ФЕП q І = з− р 844,02 ФЕП = =248,24 А. j 3,4 де j = 3,4 – число пікових сонце-годин для заданої місцевості (дані з сайту ���������������� за оцінкою сонячної інсоляції) [15]. 68 Визначимо число модулів, з'єднаних паралельно, розділити значення струму, що виробляється панелями на максимальний струм Іsc одного модуля, що необхідно округлити до найближчого цілого: N пар ІФЕП 248,24 ФЕП = = =21,4 ≈ 21 одиниць. Іsc 11,6 де Іsc – максимальний струм (струм КЗ), А. Число модулів, які з'єднані послідовно N пос U = інв 48 ФЕП = =1,2 ≈1 одиниця. Vmp 41,5 де Uінв – напруга на інверторі, вхід від сонячних панелей, В Загальна кількість потрібних фотоелектричних модулів N = N пос ⋅N пар ФЕП ФЕП ФЕП =1⋅21= 21 одиниці. Площа сонячних панелей SФЕП = N ⋅ S1шт ФЕП ФЕП = 21⋅2,17 = 45,6 м2. 2.7 Схеми підключення основних елементів гібридної СЕС Розроблена СЕС обладнана входом для підключення електромережі, забезпечує автоматичне перемикання споживачів до електромережі та здійснювати зарядження АКБ вбудованим зарядним пристроєм (рис. 2.10) [18]. До станції можуть бути підключені додаткові сонячні панелі та АКБ, що 69 збільшить обсяг виробленої електроенергії та резервування її для використання в похмуру погоду . СЕС відрізняється від стандартних, більшою ємністю акумуляторів, що забезпечує більший запас енергії та як наслідок більший час роботи обладнання у хмарну погоду, а також на 30% більшим виробництвом сонячної енергії. Рис. 2.10. Структурна схема розробленої гібридної СЕС Станція забезпечить електроенергією приватний будинок типового середньостатистичного споживача, який має такі побутові прилади: • енергозберігаючий холодильник класу А, електричний чайник, дрібна кухонна техніка, мікрохвильова піч. • Освітлення – LED або енергозберігаючі лампи. • Комп'ютер, ноутбук, телевізор тощо. • Насосна станція для води, ручний електроінструмент або інша техніка для дому з потужністю до 3000 Вт. Схема підключення гібридної СЕС (рис. 2.11) [19]. 70 Рис. 2.11. Схема підключення гібридної СЕС Схеми підключення панелей (рис. 2.12) [19]. Схема, порядок підключення, монтажу сонячних батарей приватного будинку передбачає правильне співвідношення всіх елементів системи, збіг їх характеристик – всі частини повинні підходити один до одного за своїми технічними параметрами. Це є актуальним, якщо купується не комплект, а розробляється проект окремо. У моїй розробленій СЕС ФЕП з кількістю 52 шт., можливо з'єднати між собою наступним чином: − паралельне з'єднання сонячних панелей. Підключаються між собою аналогічні за полярністю клеми. На виході отримуємо 12 В; − послідовне з'єднання сонячних панелей: "+" першої панелі до "-" другої. «-», що залишився, першою і «+» другою — на контролер. На виході отримаємо 24 В; − найоптимальніша схема послідовно-паралельна комбінація. Передбачає наявність окремих груп фотоелементів. Усередині секції панелі об'єднані паралельно. Самі ж групи – послідовно. На виході отримаємо найоптимальніший результат. 71 Рис. 2.12. Схеми підключення панелей між собою Підключення АКБ (рис. 2.13) [17]. Рис. 2.13. Схема підключення АКБ 72 Інтерфейс інвертора (рис. 2.14) [19]. Рис. 2.14. Інтерфейс інвертора: 1 – LCD дисплей; 2 – індикатор стану; 3 – індикатор зарядження; 4 – індикатор несправності; 5 – функціональні кнопки; 6 – вимикач живлення; 7 – вихід 12 В постійного струму; 8 – вхід змінного струму; 9 – вихід змінного струму; 10 – PV вхід; 11 – вхід акумулятора; 12 – автоматичний вимикач; 13 – комунікаційний порт RS- 232/WIFI-порт 2.8 Висновок до розділу 2 Другий розділ присвячений розрахунку та розробці гібридної сонячної електростанції для типових середньостатистичних побутових споживачів. Представлені дані про сонячну інсоляцію на плоску поверхню в умовах м. Черкаси та складено профіль навантаження побутового споживача. 73 Визначено оптимальний кут нахилу сонячних панелей, які забезпечать автономне енергопостачання типових побутових споживачів. Зроблений розрахунок та проведено аналіз обраного обладнання для гібридної сонячної електростанції, визначено тип та потужність інвертора, акумуляторів, а також обрано сонячні панелі з потужністю 450 Вт. 74 РОЗДІЛ 3 КОМП’ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ФОТОЕЛЕКТРИЧНОЇ ПАНЕЛІ 3.1 Математична модель ФЕП Фотоелектрична модель зазвичай заснована на електричних характеристиках, тобто поточне відношення напруги комірки під різними рівнями випромінювання і при різній температурі комірки. Найпростіша еквівалентна схема ФЕП – це джерело, яке ввімкнене паралельно з діодом (рис.3.1). Виводи джерела прямо пропорційні світлу, що падає на реальну ФЕП. Під час темної пори доби ФЕП не активна, тому вона не виробляє ні струму, ні напруги [10, 34]. Рис. 3.1 Еквівалентна схема ФЕП Основною характеристикою сонячного елемента (модуля) є ВАХ – залежність між струмом навантаження та напругою на клемах ФЕП при постійних значеннях температури та інтенсивності сонячного випромінювання, що надходить. У визначенні ВАХ ФЕП важливими факторами є інтенсивність сонячного випромінювання та температура. Для вимірювання інтенсивності сонячного випромінювання (Вт/м2) використовують спеціальні прилади [9]. 75 Напруга неробочого ходу (Uxx) – напруга, при якій струм дорівнює нулю. З іншого сторони, струм при якому напруга дорівнює нулю називається струмом короткого замикання (Iкз). Це основні точки вольт- амперних характеристик при яких потужність ФЕП дорівнює нулю. Максимальні значення струму та напруги (Imax, Umax) при постійних значеннях освітленості та температури визначають точку максимальної потужності. На рисунку 3.2 представлені типові ВАХ та ват-вольтна характеристика ФЕП [29]. Рис. 3.2. Типова вольт-амперна та ват-вольтна характеристики ФЕП Максимальна потужність ФЕП – це потужність, при якій добуток сили струму і напруги на вольт-амперну характеристику є ТММ максимальною. Інтенсивність сонячного випромінювання впливає на вихідний струм, а температура впливає на вихідну напругу ФЕП. Таким чином, при зменшенні інтенсивності світлового потоку в 2 рази струм короткого замикання ФЕП зменшується в 2 рази, а напруга неробочого ходу змінюється незначно. Також слід враховувати температурний коефіцієнт, що визначає різницю температур і становить кілька міліампер на 1 С [26]. Комп’ютерна модель фотоелемента будується на основі класичної еквівалентної схеми заміщення із зосередженими параметрами (рис. 3.3) [9]. Дана еквівалентна схема складається із генератора фотоструму Іф, діода, паралельно Rш та послідовно ввімкненого Rп опорів. Відповідно до еквівалентної схеми заміщення фотоелемента (рис. 3.3) можна записати 76 І = Іф ⋅ Ід ⋅ Іш , де Ід – струм, який протікає через діод; Іш – струм, який протікає через шунтуючий опір; І – струм навантаження; Іф – фотострум. Рис. 3.3. Еквівалентна схема заміщення фотоелемента Виразивши величини струмів через фізичні параметри фотоелектричної панелі, отримаємо аналітичний вираз вольт-амперної характеристики у вигляді q(U + I ⋅Rn ) І І І 1 U + I ⋅R = − n ф з ⋅ − − , k ⋅ A ⋅T Rш де А – параметр ВАХ ФЕП, ще називається діодним фактором; Т – абсолютна температура фотоелемента, K. q – заряд електрона, кулон; Rш – опір, що ввімкнений паралельно, Ом; Rп – опір, що ввімкнений послідовно, Ом; U – вихідна напруга, В; І з – зворотний струм насичення, А; k – стала Больцмана, в.о. 77 З огляду на те, що ККД фотоелемента залежить від форми його ВАХ (рисунок 3.2), то параметри фотоелемента, що входять до аналітичного виразу вольт-амперної характеристики визначають його ефективність. Аналітичний вираз вольт-амперної характеристики є п'ятипараметричною модель ВАХ ФЕП, що представляє особливий інтерес лише для розробників сонячних фотоелементів та панелей [34]. Ефективність фотоелектричного перетворення визначається світловою ВАХ фотоелемента, форма якої залежить від деяких параметрів: паралельного (шунтуючого) та послідовного опорів фотоелемента, густини струму насичення діода тощо [34]. Задовільна точність моделі може бути отримана виходячи із умови, що відомі значення внутрішніх опорів фотоелементів. При моделюванні можуть спостерігатися систематичні відхилення теоретичної кривої вольт-амперної характеристики від отриманої за допомогою експерименту, що є наслідком змінних величин градієнтів напруги та щільностей струмів. Розглянута математична модель часто використовується при попередньому аналізі фотоелементів та сонячної електростанції, але теоретичні та практичні дані найчастіше можуть відрізнятися. Одна з таких причин, через яку можуть бути відхилення - труднощі точного послідовного підрахунку опору. 3.2 Комп’ютерна модель ФЕП Моделювання характеристик ФЕП використовується при вирішенні таких завдань [33]: − розрахунок та моделювання фотоелектричних систем електропостачання; − оптимізація схеми ФЕП; − оцінка схемних втрат; 78 − визначення оптимальної робочої точки в умовах мінливої освітленості і температури; − аналіз та прогнозування роботи фотоелектричної станції; − визначення впливу часткового затінення на вихідні характеристики ФЕП та зміни його потужності. При моделюванні ВВХ та ВАХ необхідно знати базові параметри фотомодуля: напруга неробочого ходу (Uxx) та струм короткого замикання (Iкз). Ці параметри вказуються виробником у паспорті на фотоелемент або панель. З проведених дослідів відомо, що особливий вплив на зміну характеристики ФЕП може мати послідовний опір, температура, а також діодний параметр. При меншій його величині буде більшою потужність, яка може вироблятися фотоелементом, що призводить до збільшення ККД. Зі збільшенням температури зменшується величина напруги неробочого ходу, при цьому струм короткого замикання практично не змінює свого значення [29]. Побудова комп’ютерної моделі ФЕП виконана у програмному середовищі Matlab/Simulink, вона заснована на еквівалентній схемі одного діода, яка представлена на рисунку 3.1. Розроблена Simulink-модель, що дозволяє реєструвати основні характеристики сонячного фотоелектричного модуля, представлена на рисунку 3.4. Рис. 3.4. Модель ФЕП у середовищі Matlab/Simulink 79 Розроблена модель складається з таких блоків (рис 3.4): 1 – Constant задає значення інтенсивності сонячного світла; 2 – Constant задає значення температури модуля; 3 – Ramp задає зміну напруги із зміною температури; 4 – Subsystem містить у собі всі складові ФЕП; 5 – Scope – осцилограф. Блок Solar Panel (Subsystem) має налаштування, що представлені на рисунку 3.5. Рис. 3.5. Панель налаштування блоку Solar Panel Дані параметри є змінними виходячи із властивостей та складових елементів сонячної панелі До складу цього блоку входить система (рис. 3.6), за якою розраховується потужність батареї: (P=I∙U). 80 Рис. 3.6. Елементи блоку Solar Panel (Subsystem) Відношення між струмом I та напругою V еквівалентної схеми (рис. 3.1) можна знайти, прирівнюючи поточне значення ��������ℎ і струм діода Iд, тоді робочий струм q(U +I ⋅Rп ) І = І k⋅A⋅T ф − І з ⋅ е −1 , q = 1,602∙10-19 C – заряд одного електрона; k= 1,38∙10 -23 J/K – стала Больцмана. Схема, що реалізує дане рівняння представлена на рисунку 3.7. 81 Рис. 3.7. Контур розрахунку робочого струму Потужність, що виробляється ФЕП q(U +I ⋅Rп ) P =U ⋅ І =U Іф − І з ⋅ е k⋅A⋅T −1 . У програмному середовищі Matlab розрахунок потужності здійснюється за допомогою елементу блоку Solar Panel (рис. 3.6). Вихідний струм прямо пропорційний енергії сонячного випромінювання. Існує невеликий температурний коефіцієнт, значення якого складає декілька міліампер на один градус Цельсія, що враховує різницю температур Іф = (G, T ) I ⋅G = кз a +α G кзT (T −Ts ). as де Iкз – струм короткого замикання за нормальних умов роботи Ga – сонячне випромінювання (Вт/м3) 82 Gas – сонячне випромінювання за нормальних умов роботи (1000 Вт/м3) αкзT – Температурний коефіцієнт струму короткого замикання T – температура батареї (°С) Ts – температура батареї за стандартних тестових умов (25°С) Схема, що реалізує дане рівняння представлена на рисунку 3.8. Рис. 3.8. Контур отримання Іф Вихідна напруга для даних умов навколишнього середовища визначається за виразом k ⋅T Impp Uнс (G, T ) =Uнс(т) + βнс(Т ) (T −Ts ) + ln q , Iкз де Uнс(т) – напруга розімкнутого ланцюга за стандартної тестової умови; βнс(Т ) – температурний коефіцієнт напруги розімкнутого ланцюга; Impp – струм в MPP. Схема, що реалізує даний вираз представлена на рисунку 3.9. 83 Рис. 3.9. Реалізація вихідної напруги в Matlab/Simulink За умови U Іф (G, T ) = І Ut д , ⇒ Іф (G, T ) = І з (G, T ) ⋅ e −1, тому І (G, T ) І з (G, T ) = ф U , eUt −1 де U A ⋅ k ⋅T t = . q Схема, що реалізує даний вираз представлена на рисунку 3.10. 84 Рис. 3.10. Реалізація зворотного струму насичення в Matlab/Simulink 3.3 Результати комп’ютерного моделювання ФЕП При моделюванні приймалися такі припущення: ВАХ моделювалася без врахування часткового затінення поверхні ФЕП та без можливого її пошкодження. Дані припущення дозволяють застосовувати класичні аналітичні залежності для моделювання характеристик ФЕП. Слід зазначити, що точність моделювання залежить від можливих технологічних похибок кожного елемента та модуля. На рисунку 3.11 представлено результати моделювання зі зазначенням точок максимальної потужності при постійній температурі сонячних елементів, що дорівнює 25 ºС. Криві вольт-амперних характеристик отримані за таких рівнів освітленості: 400; 600; 800; 1000 Вт/м2. Рис. 3.11. Результат моделювання ВАХ фотоелектричної панелі при Т=const 85 На рисунку 3.12 представлено результати моделювання ВАХ із зазначенням точок максимальної потужності при постійному сонячному випроміненні. Рис. 3.12. Результат моделювання ВАХ фотоелектричної панелі при G=const На рисунку 3.13 представлено результати моделювання зі зазначенням точок максимальної потужності при постійній температурі сонячних елементів, що дорівнює 25 ºС. Криві ват-вольтних характеристик отримані для рівнів освітленості: 400; 600; 800; 1000 Вт/м2. Рис. 3.13. Результат моделювання ВВХ фотоелектричної панелі при Т=const 86 На рисунку 3.14 представлено результати моделювання ВВХ із зазначенням точок максимальної потужності при постійному сонячному випроміненні. Рис. 3.14. Результат моделювання ВВХ фотоелектричної панелі при G=const 3.4 Висновки до розділу 3 Розроблено комп’ютерну модель, що дозволяє відображати сімейство вольт-амперних та ват-вольтних характеристик фотоелектричних панелей залежно від рівня інтенсивності сонячного випромінювання та температури. Розроблена модель визначає реальну ФЕП лише з деяким ступенем наближення та з врахуванням прийнятих припущень. При комп’ютерному моделюванні спостерігаються відхилення отриманих результатів вольт-амперних та ват-вольтних характеристик від експериментальних, основною причиною яких є труднощі точного вимірювання послідовного та шунтуючого опорів сонячних елементів. Виявлено відповідність характеристик сонячного модуля, наданих виробником та характеристик, отриманих при моделюванні у середовищі Matlab/Simulink. Розбіжність результатів моделювання з паспортними характеристиками не перевищує 14%, що є допустимим та 87 загальноприйнятим для інженерних розрахунків тим самим підтверджується адекватність запропонованої комп’ютерної моделі. Модель дозволяє більш точно отримати інформацію про корисну потужність, яку видаватиме фотоелектрична панель завдяки точному задаванні сонячного випромінювання. 88 ВИСНОВКИ 1. Зроблено аналіз характеристик та технічних рішень сонячних перетворювачів та електростанцій, який став передумовою до розробки ефективної гібридної сонячної електростанції для енергозабезпечення середньостатистичного побутового споживача. 2. Розроблено гібридну сонячну електростанцію для побутових споживачів на основі даних про сонячну інсоляцію в географічних умовах м. Черкаси та складеного профіля навантаження приватного будинку. 3. Зроблений розрахунок та проведено аналіз обраного обладнання для гібридної сонячної електростанції, визначено тип та потужність інвертора, акумуляторів, а також обрано сонячні панелі з потужністю 450 Вт. 4. Розроблено комп’ютерну модель, що дозволяє відображати сімейство вольт-амперних (ВАХ) та ват-вольтних характеристик (ВВХ) фотоелектричних панелей залежно від рівня інтенсивності сонячного випромінювання та температури. Розроблена модель визначає реальну ФЕП лише з деяким ступенем наближення та з врахуванням прийнятих припущень. 5. При комп’ютерному моделюванні спостерігаються відхилення отриманих результатів (ВАХ) та (ВВХ) характеристик від експериментальних, основною причиною яких є труднощі точного вимірювання послідовного та шунтуючого опорів сонячних елементів. Виявлено відповідність характеристик ФЕП, наданих виробником та характеристик, отриманих при моделюванні у середовищі Matlab/Simulink. Розбіжність результатів моделювання з паспортними характеристиками не перевищує 14%, що є допустимим та загальноприйнятим для інженерних розрахунків тим самим підтверджується адекватність комп’ютерної моделі. Модель дозволяє більш точно отримати інформацію про корисну потужність, яку видаватиме ФЕП завдяки точному задаванні сонячного випромінювання. 89 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1. Демов О. Д. Економія електроенергії на промислових підприємствах. Навчальний посібник. - Вінниця: ВНТУ, 2006. - 95с. 2. ДСТУ 4462.0.01:2005 Нетрадиційна енергетика. Сонячна енергетика. Терміни та визначення. 3. ДСТУ 4462.0.02:2005 Нетрадиційна енергетика. Модулі сонячні фотоелектричні. Типи і основні параметри. 4. Енергетика: історія, сучасність і майбутнє. Електроенергетика та охорона навколишнього середовища. Функціонування енергетики у сучасно- му світі/ [упоряд. С.Г. Плачкова, І.В. Плачков та ін.] – К. 2013 [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: http://energetika.in.ua/ua/ 5. Збільшення експорту електроенергії в Україні [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL:https://korrespondent.net/business/economics/3931940- ukrayna-uvelychyla-eksport-elektroenerhyy 6. Звіт з оцінки відповідності (достатності) генеруючих потужностей 2017 р. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: https://ua.energy/wp- content/uploads/2017/10/Zvit-z-otsinky- vidpovidnosti-dostatnosti- generuyuchyh-potuzhnostej.pdf 7. Інвертор для сонячних батарей [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: http://solarsoul.net/invertor-dlya-solnechnyx-batarej. 8. Національний атлас України. – К.: ДНВП «Картографія», 2007. 9. Олійник Ю.С., Машкова О.В. Ефективність сонячних батарей. Збірник наукових праць: Актуальні наукові дослідження у світі. Випуск 1 (33), частина 1. Переяслав-Хмельницький. 2018. С.37-39. 10. Петренко І.В. Інтеграція сонячних електростанцій в існуючі електричні мережі за допомогою нейронних мереж / І.В. Петренко, С.Ю. Протасов / Збірник тез доповідей студентської науково-практичної конференції ЧДТУ: 18–20 квіт. 2023 р. [Електронний ресурс] / [упоряд.: Єгорова О. В., 90 Захарова О. В., Кисельов В. Б. та ін.] ; М-во освіти і науки України, Черкас. держ. технол. ун-т. – Черкаси : ЧДТУ, 2023.– С. 212. 11. Постанова Національної комісії регулювання електроенергетики України від 22 січня 2009 р. № 32 «Про затвердження Порядку встановлення, перегляду та припинення дії «зеленого» тарифу для суб’єктів господарської діяльності» [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: http://zakon3.rada.gov.ua/laws/show/z1957-12 12. Постанова НКРЕ «Про встановлення «зелених» тарифів на електричну енергію» від 27.02.2014 №190 [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: http://www3.nerc.gov.ua/?id=9621. 13. Про реалізацію пілотного інноваційного проекту розроблення і виробництва новітніх автономних інтегрованих систем електропостачання з використанням сонячних енергетичних систем, вітроустановок та енергонакопичувачів на базі міжнародної науково- промислової корпорації «Веста»: пост. Кабінету Міністрів України від 27 серпня 2002 р., № 1244 // Держ. вісн. України. – 2002. - № 18. – С.17. 14. Розрахунок системи автономного енергопостачання з використанням фотоелектричних перетворювачів/А.Н. Гребенюк // Матеріали / М-во освіти і науки України ; Нац. гірн. ун-т. – Д., 2015. 15. Сайт «NASA» [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: https://power.larc.nasa.gov/ 16. Сайт агентства з відновлювалої енергетики [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: https://rea.org.ua/ 17. Сайт виробника акумуляторів. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: https://navitech.com.ua/product/everexceed-es250-12g-3768. 18. Сайт компанії Solar-tech [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: https://solar-tech.com.ua/ 19. Сайт компанії SUN SERVICE �SHOP [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: https://sunservis.com.ua/ 91 20. Сонячна енергетика в Україні: проблеми і перспективи розвитку / О.О.Лящук // Вісн. Укр. держ. ун-ту вод. госп-ва та природокористування: Зб. наук. пр. – Рівне, 2002. – Вип. 5, ч. 1. – С.83-88. 21. Сонячна енергетика України: Концепція розвитку до 2030 року / М.Рабінович, І.Толстих // Зелена енергетика. – 2003. - № 1. – С.6-7. 22. Схеми комплексного використання поновлюваних джерел енергії / Б.Х.Драганов, О.С.Бессараб, А.В.Міщенко, В.В.Шутюк // Проектування систем теплопостачання сіл. госп-ва: Навч. посіб. – К., 2003. – Розд. 9.1. – С.83-88. 23. Укренерго. Національна енергетична компанія. Річний звіт 2018 р. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: https://ua.energy/wp- content/uploads/2018/02/Annual-report_2016.pdf 24. Фотоелектричний ринок: Вплив фінансових стимулів на розвиток фотоенергетики / Г.Шмідт // Зелена енергетика. – 2003. - № 1. – С.8-11; № 2. – С.12-14. 25. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL :http://cikavosti.com/kitay- stav-naybilshim-virobnikom- sonyachnoyi-energiyi-v-sviti-foto-video/ 26. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: https://go-solar.com.ua/ 27. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: //www.epochtimes.com.ua/novyny/naybilsha-u-sviti-sonyachna- stanciya- zyavylasya-u-marokko-123863 28. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: http://ecotown.com.ua/news/50-elektroenerhiyi-Nimechchyny- vyroblyayetsya-sontsem/ 29. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: http://saee.gov.ua/uk/ae/sunenergy 30. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: http://saee.gov.ua/uk/ae/hydroenergy 31. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: http://saee.gov.ua/uk/ae/geoenergy 92 32. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: URL: https://ecotechnica.com.ua/energy/solntse/2087-solnechna-energetika-v- ssha- vyrosla-na-95-novyj-rekord-zelenykh-moshchnostej-14-5-gvt.html 33. Rodrigues, R. Melício, V.M.F. Mendes and J.P.S. Catalão «Simulation of a Solar Cell considering Single-Diode Equivalent Circuit Model» 34. M. Suthar, G. Singh, R., SainiPublished Comparison of mathematical models of photo-voltaic (PV) module and effect of various parameters on its performance, International Conference on Energy Efficient Technologies for Sustainability, 10 April 2013, Engineering 2013.