Исследование влияния погодных условий на параметры работы солнечных батарей в естественных условиях эксплуатации



Энергия — это основа существования человеческой цивилизации. Сегодня с целью получения экологически чистой и дешевой энергии во всем мире используются электростанции на солнечных батареях (СЭС). Объемы использования солнечных батарей и выработка энергии с помощью автономных солнечных электростанции (АСЭС) постоянно растут. На сегодня установленная мощность всех СЭС в мире составляет более 160 ГВт и продолжает увеличиваться огромными темпами [1].

По оценкам специалистов, источником энергии будущего являются возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Среди ВИЭ солнечная энергия занимает особое место своей повсеместностью, доступностью и величиной суммарной мощности [2–3].

Мировая энергетика развивается по пути диверсификации источников и систем энергоснабжения, среди которых, безусловно, найдут своё место для широкого практического использования солнечных батарей (СБ). Солнечные батареи непрерывно совершенствуются, а их стоимость снижается. СБ не нуждаются в каком-либо топливе, они характеризуются исключительно низким эксплуатационными затратами, однако эффективная выработка электроэнергии с помощью СБ возможно только в солнечные дни. Средняя мощность СБ, оснащенных устройствами слежения за солнцем, оказывается меньше половины пиковой мощности, достигнутой в полдень при ясном небе, а средняя мощность СБ без устройств слежения составляет около четверти пиковой мощности.

При выборе солнечного модуля (СМ) очень важно знать его параметры, то есть мощность, напряжения и токи, вырабатываемые в различных режимах и условиях при которых получены эти значения. Эффективность и производительность СМ определяются различными стандартами и тестовыми условиями. К основным тестовым условиям относятся:

‒ Standard Test Condition (STC) — Стандартные условие тестирования;

‒ PV-USA Photovoltaics for Utility Systems (PTC).

Параметры STC отражают работу солнечной панели в идеальных условиях (освещенность — 1000 Вт/м² температура модуля — 25⁰С, AM– 1,5, а скорость ветра равна нулю). Именно параметры СМ при STC обозначены на паспортной табличке (ПТ) всех солнечных панелей и являются обязательными для всех производителей.

Однако, условия STC редко встречаются при реальной эксплуатации СМ. параметры PTC на 10–15 % меньше, чем STC, что более реалистично отражает условия эксплуатации СМ. Однако далеко не все производители указывают параметры при PTC. Кроме того, большинство производителей СМ излишне оптимистично оценивают возможности своей продукции.

Так же и STC, PTC дают завышенные показатели по мощности модуля, чем в реальных условиях эксплуатации. Это означает, что в реальных условиях СМ будет вырабатывать около 75–85 % от её пиковой мощности (указанной в ПТ). Т. е. 100 Вт СМ, расположенная под оптимальным углом и ориентированная на юг, будет выдавать летом в среднем 78–85 Вт, в зависимости от метода установки. Это необходимо учитывать при проектировании АСЭ.

Кроме того, что особенно важно ни PTC, ни STC не отражают всех факторов, которые влияют на изменения мощности СМ и их работы в естественных условиях эксплуатации. В естественных условиях эксплуатации на производительность АСЭC влияют следующие факторы:

‒ климатические и географические условия;

‒ потери энергии в проводах, инверторе, контролере и т. д.;

‒ деградация СМ с течением времени;

‒ снижение мощности за счет пыли, грязи (загрязнение СМ) и загрязнение воздуха;

‒ чрезмерного нагрева СМ или их затенения;

‒ разной мощности СМ в последовательных цепочках.

Влияние указанных факторов может меняться:

‒ в зависимости от сезона года;

‒ географического положения;

‒ способа монтажа;

‒ азимута и угла наклона СМ.

При проектировании и эксплуатации АСЭ важно иметь информацию и знать параметры работы не только отдельного СМ, но и системы в целом — включая контроллеры, инверторы, аккумуляторные батареи и т. д.

Однако, тестирования СМ и АСЭС и их использования в естественных условиях эксплуатации, где на их производительность в отличие от STC и PTC условий испытания влияют вышеуказанные многочисленные факторы в доступной литературе освещены недостаточно. Поэтому проектирование и тестирование АСЭС в естественных условиях эксплуатации в зависимости от различных факторов, влияющих на их производительность, разработка алгоритма управления АСЭС и выдача рекомендаций по практическому их использованию для широкого круга автономных или неавтономных потребителей электроэнергии является актуальной задачей.

Известно, что количество солнечной энергии поступающей на поверхность Земли зависит от состояния атмосферы, продолжительности солнечного дня, время суток и сезонности года. Причем основным атмосферным явлением, определяющее количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли является облако. В любой точке Земли солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, уменьшается с увеличением облачности.

Поэтому изучения влияния погодных и других условий, а также оптимальной ориентации и угла наклона на параметры работы СБ в естественных условиях их эксплуатации является актуальной задачей, которые позволят учитывать их при разработке и проектирование АСЭС различной мощности и разработке алгоритма управления этими станциями.

В настоящей работе исследовано влияние погодных условий (пасмурности, температуры, осадков) на параметры работы СБ в климатических условиях г. Душанбе.

В качестве СБ использовалась батарея производства КНР, площадью 0,71 м² с пиковой мощностью 100 Вт (паспортной). Исследования проводились на экспериментальной площадке Центра инновационного развития науки и новых технологий АН Республики Таджикистан, в г. Душанбе на высоте 706 м над уровнем моря. Солнечная батарея была закреплена на дюралюминиевом каркасе под углом 45 градусов и установлена на земле экспериментального участка. Высота нижней стороны СБ от уровня земли 0,3 м.

Для г. Душанбе средняя годовая температура составляет 14,5 градусов, среднее количество осадков 53,38 мм в год. Для данной территории характерно жаркое лето, умеренно прохладная осень и весна и непродолжительная холодная зима. На рассматриваемой территории осадки наблюдаются в виде снега, дождя, града и росы. Атмосферные осадки в зависимости от фазового состояния могут быть твердыми, жидкими и смешанными. К смешанной фазе относится снег с дождем, дождь с градом. Осадки смешанного типа наблюдаются в основном осенью и весной. По средним многолетним данным в г. Душанбе 20 дней с твердыми осадками, 89 дней с жидкими, 10 дней со смешанными. Неустойчивый снежный покров в основном образуются в третей декаде ноября и до конца февраля. В г. Душанбе в среднем в году бывает около 25 дней со снежным покровом. В пределах Душанбе первый снег выпадает в конце ноября [4].

Очевидно, что погодные условия (пасмурность, осадки, запыленность) будут влиять на эффективность работы СБ и СЭС. В связи с этим для оценки эффективности применения СБ и СЭС в конкретной климатической зоне в естественных условиях эксплуатации необходимо учитывать влияния этих условий.

Для оценки влияния погодных условий на эффективность работы СБ в климатических условиях г. Душанбе, в настоящей работе проведены тестирования СБ в период с июля 2016 по март 2017 года и получены статистические данные работы СБ в различные дни и сезоны года: солнечные, пасмурные, дождливые дни и дни со снежным покровом. Продолжительность светового дня была одинаковой и составляло 10 ч.

На рис.1. представлена среднечасовая выработка электроэнергии СБ за 22.07.16 (ясный солнечный день), 05.07.16 (пасмурный день), 19.12.16 (снежный покров) и 13.02.17 (переменная облачность)

Рис. 1. Среднечасовая выработка электроэнергии СБ в зависемости от времени, погодных условий и сезонов года

Максимум интенсивности солнечной радиации в солнечный день 22.07.16 составил — 367 Вт/м², в пасмурный день 05.07.16–148 Вт/м², со снежным покровом 19.12.16–52 Вт/м² и в день переменной облачности 13.02.17–200 Вт/м²_.

Таблица 1

Среднедневная выработка электроэнергии (Вт/ч) СБ спиковой мощностью 100 Вт впериод июль 2016— февраль 2017г.

Среднедневная выработка электроэнергии (Вт/ч)	Солнечные дни		Пасмурные дни		Пасмурные дни со снежным покровом	Переменная облачность
	22.07.16	16.09.16	05.07.16	30.09.16	19.12.16	13.02.17
Минимальная	5.48	2.11	1.5	1.59	0.12	1.2
Среднедневная	36.78	41.23	11.62	9.66	4.71	15.21
Максимальная	72.96	74.49	19.55	17.07	10.29	47.57
Общее	699	783	216	184	90	289

Продолжительность светового дня 10 часов.

При этом, как показано в таблице 1, максимум вырабатываемой мощности (Р_max) СБ составило для 22.07.16 -74 Вт, 16.09.16–75 Вт (ясные солнечные дни); 05.07.16–28 Вт, 30.09.16–17 Вт (пасмурные дни); 19.12.16–10 Вт (снежный покров) и 13.02.17–48 Вт (переменная облачность).

На рис. 2а и 2б показаны изменения тока (I) и вырабатываемой мощности СБ в зависимости от времени и сезона года.

Рис. 2. Изменение тока (а) и вырабатываемой мощности (б) солнечной батарей в зависимости от времени и сезона года

В таблице 2 приведены статические данные по выработке электроэнергии при различных погодных условиях г. Душанбе для СБ с пиковой мощностью 100 Вт.

Таблица 2

Статические данные выработке электроэнергии при различных погодных условиях г. Душанбе для СБ спиковой мощностью 100 Вт

Измеряемые параметры	Ясные солнечные дни		Пасмурные дни		Пасмурный день со снежным покровом	Переменная облачность
	22.07.16	16.09.16	05.07.16	30.09.16	19.12.16	13.02.17
Максимум интен. солн. радиац., Вт/м2	367	406	148	85	52	200
Макс. выраб. мощности, Вт	73	75	28	17	10	48
Выраб. электр. энергия Вт.ч/сутки	699	783	216	184	90	289

Из таблицы 2 видно, что на параметры работы СБ электрическую энергию влияют такие природные условия, как погода, так и осадки.

Известно, что повышение температуры и нагрев солнечных элементов в солнечных модулях оказывает отрицательное влияние на работу СБ снижая фотоэффект и выработку электроэнергии. Охлаждаемые или вентилируемые СБ имеют более высокий КПД. В морозную, но ясную погоду СБ вырабатывают больше энергии, чем в жаркую погоду (хотя общий кумулятивный эффект снижается из-за короткого светового дня).

Известно, что аэрозоли, пылевые бури оседают на рабочую поверхность СБ снижая эффективность их работы [6]. Чем чище рабочая поверхность СБ тем больше количество фотонов поглощаются солнечными элементами и тем больше коэффициент преобразования световой энергии в электрическую.

В таблице 3 приведены исследования авторов по измерению параметров СБ до и после отчистки поверхности батарей от пыли.

Таблица 3

Работа СБ до и после очистки поверхности от пыли

До отчистки						После отчистки
Дата	t, Ч	Uхх, В	Iкз, А	Pmax, Вт		t, Ч	Uхх, В	Iкз, А	Pmax, Вт	Увеличение мощности,%
18.11.16	10.30	20.10	3.43	55.15		10.35	20.15	3.53	56.90	3.2
28.11.16	10.30	20.60	3.60	59.33		10.35	20.70	3.76	62.27	5
20.12.16	10.30	19.70	0.19	2.99		10.35	19.82	0.27	4.28	43

Как видно из таблицы 3, вырабатываемая мощность СБ в зависимости от продолжительности времени запыленности, сезона года после отчистки поверхности батареи от пыли увеличивается от 3 до 43 % по сравнению с неочищенной поверхностью.

Литература:

1. Ирха В. А. Чеботарев С. Н. Пащенко А. С. Региональный опыт инсталляции и эксплуатации индивидуальной солнечной энергоустановки в условиях юга России. Renewable energy forum, REEFOR 2013 — M, 2013, с. 205–209.
2. Ахмедов Х. М.., Каримов Х. С. Солнечная энергетика. –Душанбе: Дониш, 2007, 179 с.
3. А. да Роза. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы/ Перевод с англ. под ред. С. П. Малышенко и О. С. Попеля. — М.: Издательский дом 2010,704 с.
4. Климат Душанбе / Под редакцией д-ра геогр. наук Ц. А. Швер, В. Н. Владимировой.- Ленинград, Гидрометеоиздат, 1986, 126 с.
5. Назаров Б. И. Салиев М. А., Махмудов А. Н., Абдуллоев С. Ф. Расчет потока суммарной радиации по наклонной плоскости солнечных приемников в условиях аэрозольного загрязнения атмосферы.- Докл. АН Республики Таджикистан. 2015, т. 58, № 12, с. 11–16.