04 марта 2016г.
Одним из наиболее востребованных и динамично развивающихся направлений возобновляемой энергетики является солнечная энергетика. В большинстве высокоразвитых стран, таких как США, Китай, Германия и многих других, активно ведутся работы по созданию и внедрению солнечных электростанций, как промышленных масштабов, так и небольшой мощности, ориентированных на частных потребителей.
Одним из факторов, влияющих на эффективность работы солнечной электростанции, является ориентация фотоэлектрических панелей по отношению к положению солнца на небосводе. Известно, что величина инсоляция на наклонную плоскость зависит от угла между нормалью к данной плоскости и направлением на Солнце. Интенсивность солнечного излучения на нормально ориентированную поверхность значительно выше, чем на наклонную, поэтому данное положение фотоэлектрических преобразователей является оптимальным [1]. Применение систем ориентации в составе солнечных электростанций направлено на поддержание оптимального угла наклона панелей относительно солнечного излучения с целью повышения общей эффективности системы особенно в утренние и вечерние часы, когда углы склонения солнца принимают максимальное значение [2].
Целью данной работы являлось создание опытной системы слежения за положением солнца и применение ее в составе фотоэлектрической станции, апробация и верификация работы системы в условиях Свердловской области, использование установки в учебном процессе, проведение практических экспериментов и лабораторных работ.
Системы ориентации солнечных батарей можно классифицировать следующим образом. По способу формирования управляющих сигналов отклонения солнечных батарей:
· С помощью фотоэлектрического датчика (-ов) – изменение положения Солнца и освещенности фиксируется фотодатчиком, который подает сигнал на микроконтроллер, через специальный преобразователь;
· С помощью датчиков тока (разности тока) с фотопреобразователей солнечных батарей;
· С помощью температурных датчиков, которые при неодинаковой степени освещенности имеют разную температуру, из-за чего между ними возникает разность деформаций, преобразуемая в поворот панели по направлению на Солнце;
· С помощью статистических алгоритмов, решающих задачу двух тел (Солнце-Земля). По числу степеней свободы (осей поворота):
· Одноосные;
· Двухосные.
По виду связи поворотных солнечных батарей с сетью:
· Через гибкий кабель;
· Через вращающееся токосъемное кольцевое устройство, позволяющее выполнять поворот солнечных батарей относительно поворотной системы на неограниченный угол.
По типу трекеров [3]:
· Активный трекер - использует двигатели и зубчатые передачи для изменения направления солнечных панелей;
· Пассивный трекер - представляет собой особые гидравлические системы, использующие давление низкокипящих жидкостей для движения конструкции;
· Хронологический трекер - «противодействует» вращению Земли, поворачиваясь с той же скоростью, что и Земля по отношению к Солнцу, вокруг оси, параллельной Земле, но в противоположном направлении.
· Ручной трекер - реализуется с помощью цепных механизмов, рычагов и мускульной силы.
На кафедре «Атомные станций и возобновляемые источники энергии» (АСиВИЭ) Уральского федерального университета был разработан учебный стенд, позволяющий производить ориентацию солнечных панелей на солнце. Согласно приведенной выше классификации по способу формирования управляющего сигнала его можно отнести к установкам, работающим на основе статистических алгоритмов, он имеет две оси вращения, связь с сетью осуществляется через гибкий кабель, тип трекера – активный.
Стенд состоит из двух частей: механической и программной. Механическая часть реализована с помощью оборудования, произведенного кампанией МПК Мегасервис. Программная часть реализована с помощью пакета SolarOrientation, который был разработан на кафедре АСиВИЭ. Для разработки данного пакета использовался язык C# версии 5.0.
Пакет SolarOrientation представляет собой набор из двух программ: SOAutomatic и SOManual. Последняя призвана обеспечить ручное управление поворотной системой с помощью текстовых команд, и используется для проведения лабораторных работ и научных исследований. SOAutomatic обеспечивает автоматическое управление поворотной системой с наведением фотоэлектрических панелей на солнце (установка в плоскости перпендикулярной направлению падения солнечных лучей). Для этого используются численные алгоритмы [4, 5], позволяющие рассчитать текущее положение солнца на небосводе в зависимости от координат местности, времени суток и даты. Применение установки возможно в любом месте при условии задания в рабочем интерфейсе программы вышеуказанных данных.
Для реализации механической части было использовано следующее:
· Поворотное устройство азимутальное с элевацией Радант AZ1000V [6];
· Контроллер управления;
· Фотоэлектрические панели;
· Резисторы;
· Блок управления;
· Персональный компьютер.
Поворотное устройство состоит из редукторов и двух электродвигателей постоянного тока с соответствующими датчиками, служащими для приема, обработки и передача сигнала. На персональном компьютере по специальному алгоритму происходит расчет оптимального положения поворотной платформы и сравнение этого положения с положением платформы в текущий момент времени. В случае обнаружения отклонения, через блок управления передается сигнал, который воспринимается датчиками, дающими команду на запуск электродвигателей, которые в свою очередь осуществляют поворот платформы по азимуту и элевации. Внешний вид поворотного устройства приведен на Рисунке 1.
На поворотной платформе предусмотрены места
для креплений различных энергетических установок, таких как солнечные
коллекторы и фотоэлектрические панели. Для проведения исследований работы данного оборудования на кафедре
АСиВИЭ разработана и смонтирована система измерений и мониторинга, которая включает в себя метеостанцию позволяющую определять температуру окружающей среды, интенсивность солнечной радиации, влажность, скорость и направление ветра, и ряд датчиков, таких как амперметры и вольтметры. Показания всех приборов фиксируются в режиме реального времени и хранятся на сервере
для последующей обработки
и анализа [7]. На Рисунке
2 приведена принципиальная схема учебного
стенда.
В результате проведенной работы на кафедре Атомные станции
и возобновляемые источники
энергии Уральского федерального университета был создан опытный
стенд система слежения
за положением Солнца, позволяющий проводить
испытания и анализ эффективности различных
установок солнечной энергетики, накапливать
опыт эксплуатации подобных
систем, вырабатывать рекомендаций по их проектированию. Аналогичная система
ориентации может найти широкое
применение для повышения эффективности энергоснабжения небольших потребителей, таких как светофоры
узлы связи и автоматики, особенно в северных регионах с большой продолжительностью солнечного дня и низкой интенсивностью излучения.
Список литературы
1.
Безруких П. П., Арбузов Ю. Д., Борисов Г. А., Виссарионов В. А., Евдокимов В. М. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России // СПб, Наука, 2002. 314 с.
2.
Deger [Электронный ресурс] – Режим доступа:
http://www.degerenergie.de
3. Solar tracker [Электронный ресурс] // Wikipedia. – Режим доступа:
http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_tracker (дата обращения: 8.04.2015)
4.
Philippe Blanc, Lucien Wald.
The SG2 algorithm for a fast and
accurate computation of the position
of the Sun for multi-decadal time period [Electronic resource]
HAL archives-ouvertes. Mode of access: https://hal.archives- ouvertes.fr/hal-00725987/document
5.
Ibrahim Reda, Afshin Andreas. Solar Position Algorithm
for Solar Radiation
Applications [Electronic resource] // National Renewable
Energy Laboratory. – Mode of access:
http://www.nrel.gov/docs/fy08osti/34302.pdf.
6. АПУ азимутальное с элевацией
AZ1000 (малое) [Электронный ресурс]
// Povorotka.ru Поворотные устройства. – Режим доступа: http://поворотка.рф/produkciya/povorotnye_ustroystva/povorotnoe_ustrojstvo_az1000v_maloe/
7.
S. E. Shcheklein, Yu.E. Nemikhin, S.V. Nevyantsev, A. Korzhavin, A.O. Postovalov, D.A. Nosov, and Yu.Z. Zagafuranova. Renewable Energy-Based Plant Remote Monitoring Complex Using Wi-Fi Channels
and Elements of Artificial Vision,
WIT Transactions on Ecology and the Environment, Volume 190 VOLUME 2, 2014, рр. 1185-1194. DOI: 10.2495/EQ141102
