Исследование электрических характеристик элементов солнечных электростанций

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 662.997.534                                   

Чтобы преодолеть ограничения энергоснабжения и сократить выбросы, нынешняя политика устойчивого развития должна быть сосредоточена на создании централизованно сбалансированной и экологически чистой системы энергоснабжения, включающей различные возобновляемые источники энергии. В паспорте солнечной панели указаны технические характеристики, такие как мощность, ток и напряжение при различных условиях испытаний. Это ключевой аспект для сравнения эффективности солнечных

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 11. №1 2025 панелей. Для измерения этих параметров используются разные условия испытаний в зависимости от ценности и уровня эффективности методов [1-3].

Объект исследования — солнечная установка с фотоэлектрическими панелями. Их выбор определяется следующими факторами: возможность интеграции развития солнечных электростанций и использования фотоэлектрических панелей, работающих с помощью солнечной энергии, в электроснабжении домов, предприятий малого и среднего бизнеса; относительно невысокая цена; доступность; простота сборки, эксплуатации и обслуживания; автономность; экологическая чистота для окружающей среды; возможность использования солнечной энергии при осуществлении теплоснабжения домов.

Материалы и методы исследования

Согласно расчетам, мощность источников энергии в Центральной Азии представлена в Таблице 1.

Таблица 1

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ [1-3]

Источник энергии	Мощность, МВт
Солнечная энергия	195 000-3 760 000
Гидроэнергетика	275-30000
Ветроэнергетика	1 500-354 000
Геотермальная энергия	2-54 000
Биоэнергетика	200-800

Мощность солнечной энергии на территории Казахстана оценивается примерно в 3 760 000 МВт. В регионе 195-250 солнечных дней, а количество солнечного света и радиации составляет 1200-1700 кВт/м2. В Кыргызстане — 158-230 солнечных дней, а потенциал солнечной энергии составляет 267 000 МВт. А возобновляемые источники энергии в Туркменистане — еще более высокопроизводительны. Годовая продолжительность солнечного света в некоторых регионах (Кули, Хасане и Ашхабаде) достигает 2700-3150 часов и потенциал солнечной энергии очень высок.

■ гидроэнергетика ■ ветроэнергетика ■ солнечная энергетика ■ биоэнергетика ■ другие

Рисунок 1. Установленная мощность по видам ВИЭ в мире за последнее десятилетие, ГВт

Потенциал солнечной фотоэлектрической энергии в Таджикистане оценивается в 195 000 МВт. Световой день от 2100 до 3170 часов в году, ясных дней в году 280-330. Потенциал солнечной фотоэлектрической энергии в Узбекистане составляет 593 000 МВт. Солнечный потенциал оценивается в 2 000 000 ГВтч и 1195 ТВтч в год [4-8].

Доля возобновляемых источников энергии сегодня составляет почти 40% от общего производства электроэнергии в мире [9].

Суммарная установленная мощность возобновляемых источников энергии в 2022 г оценивается в 3381,8 ГВт, что вдвое превышает установленную мощность по сравнению с 2012 г [9]. Большая часть вновь установленной мощности составляет 25% ветровой и 65% солнечной энергии (Рисунок 1).

Результаты и их обсуждение

Аналогичный анализ провело IEA, которое установило, что в 2019 г на производство солнечной энергии будет приходиться 3% мировой электроэнергии. Эта цифра представляет собой второе абсолютное поколение возобновляемых технологий. По данным организации, в 2020 г количество солнечных систем увеличится на 20%, что представляет собой увеличение общей доли производства электроэнергии. IEA прогнозирует, что мощность возобновляемых источников увеличится еще на 2400 ГВт в течение следующих пяти лет, что составит 91% от общей новой установленной мощности [9].

В настоящее время большое значение в обеспечении электроэнергией не только крупных потребителей, но и удаленных и стационарных потребителей, недоступных для получения электроэнергии, имеют солнечные электростанции. Одним из основных отличий солнечной электростанции, подключенной к сети, является то, что она включает в себя возможность подачи электроэнергии непосредственно от фотоэлектрических панелей в центральную сеть электроснабжения. Фотоэлектрическая установка (солнечная панель) предназначена для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую энергию (Рисунок 2).

Рисунок 2. Общая схема функционирования автономной солнечной электростанции

На Рисунке 2 показано, что вырабатываемая электроэнергия в фотоэлектрических панелях (солнечная батарея) направляется в контроллер заряда, где производится распределение в сторону системы накопления энергии в целях накопления выработанной электроэнергии, которая, как правило, потребляется в период отсутствия солнца. Далее накопленная электроэнергия направляется в инвертор, где электрический ток преобразовывается при напряжении 220 Вольт или 380 Вольт в зависимости от количества фаз при максимальном отклонении напряжения до ±15% при частоте 50 Гц в пределах изменения ±0,4 Гц в соответствии с действующими требованиями и условиями к показателям качества электроэнергии. К примеру, полупроводники (кремниевые пластины), которые используются для изготовления элементов, обладают положительными и отрицательными заряженными электронами и состоят их двух слоев, а именно: n-слой (-) и р-слой (+). Излишние электроны под воздействием солнечного света выбиваются из слоев и занимают пустые места в другом слое. Данный процесс заставляет свободные электроны постоянно двигаться, переходя из одной пластины в другую вырабатывая электрическую энергию, которая накапливается в системе накопления энергии или передается в сетевой инвертор в зависимости от типа солнечной электростанции. В последнее время массово внедряются технологии в виде возможности удаленного мониторинга функционирования солнечной электростанции с применением сети Wi-Fi и подключением в стационарный смартфон. Данная технология позволяет не только контролировать режимы работы солнечной электростанции, но и производить мониторинг и регистрировать данные работы электроустановки, что позволяет в облегченном формате производить научноисследовательские работы по изучению работы солнечной электростанции в локальных условиях. Выбор и эксплуатация монокристаллических панелей является целесообразным и эффективным с точки зрения высокого КПД. Однако применение поликристаллических панелей является наиболее возможной и целесообразной в виду разницы по КПД (16%) и низкой стоимости, которая дешевле, чем монокристаллические панели на 20%, что полностью соответствует требованиям к эксплуатации автономных станций гибридного электроснабжения для значительного слоя потребителей (Таблица 2, 3).

Таблица 2 ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ РАЗНЫХ ВИДОВ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАНЕЛЕЙ

Преимущества                             Недостатки

Поликристаллические панели

Малые затраты при производстве и малая         Низкий КПД, так как чистота кремния в подверженность высоким значения температуры поликристалле ниже, чем в монокристалле и окружающей среды.                             низкая плотность производимой электро-энергии.

Монокристаллические панели

Высокий КПД (до 22%), высокая плотность       Высокая стоимость (дороже на 18-20%, чем производимой электро-энергии, значительный     поликристаллические).

период эксплуатации – от 25 лет, большая эффективность генерации при низкой освещенности.

Тонкопленочные панели

Возможность скрытой установки, меньшая        Низкая плотность производимойэлектро-энергии, стоимость приобретения, высокая гибкость и малая что и увеличивает суммарную площадь толщина, низкая зависимость от величины         фотоэлектрических модулей данного типа, освещенности и затемненности, минималь-ное     высокая масса из-за защищенности с 2 сторон количество брака и дефектов.                     стеклами.

Таблица 3

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ СЕТЕВОЙ И АВТОНОМНОЙ СЭС

Преимущества                             Недостатки

Сетевая электростанция

Относительно низкие капитальные затраты Отсутствие Невозможность работы при пасмурной погоде необходимости в приобретение системы накопления Невозможность электроснабжения в ночной энергии                                          период

Преимущества                             Недостатки

Простота монтажа                               Высокие требования к функционалу

Возможность работы по «зеленому тарифу»         контроллера и инвертора

Простота в эксплуатации                          Высокие требования к противоаварийной автоматике

Автономная электростанция

Возможность электроснабжения в ночной период     Необходимость приобретения системы

Средние требования к противоаварийной автоматике накопления энергии

Полная автономность электростанции              Необходимость периодической замены

Независимость от центральных источников питания аккумуляторов

Простой монтаж

Отсутствие перенапряжений и всплесков токов

Выводы

• 1.    Применение информационно-вычислительных программных комплексов: Homer Energy; Microsoft Office Excel; MathCad 14 позволяет с максимальной точностью вычислять параметры технико-экономическое обоснование разных видов солнечных электростанций в зависимости от физико-технических параметров, географического расположения объекта, гидрометеорологических параметров.

• 2.    Совместная работа солнечной электростанции с внешними источниками питания в электроснабжении крупных потребителей является целесообразным, энергетически и экономически эффективным.

• 3.    Солнечная электростанция имеет следующие преимущества: легкость монтажных работ, возможность работы по «зеленому тарифу» и т.д. Однако имеются значительные недостатки, такие как: невозможность электроснабжения в ночной период, высокие требования к противоаварийной автоматике, зависимость от центральных источников питания и т.д.

• 4.    Автономная солнечная электростанция имеет следующие преимущества: возможность электроснабжения в ночной и пасмурный период, средние требования к противоаварийной автоматике, независимость от центральных источников питания, но учитываются следующие недостатки: обязательное наличие системы накопления энергии, что повышает удельную стоимость всего объекта.

Таким образом, в рамках проведенного исследования рекомендуется проведение изучение особенностей функционирования автономной солнечной электростанции.