Влияние климатических условий на эффективность фотоэлектрической системы параллельного питания потребителей

Фотоэлектрическая энергия становится все более доступной для потребителя. Применение фотоэлектрических модулей (ФЭМ) прошло н е сколько этапов. В начале своего развития ФЭМ рассматривались только как источник энергии для автономных потребителей [1] . В настоящее время ФЭМ успешно обеспечивают электроэнергией потребителей, питание которых происходит и от централизованной сети [2–5] . В одних случаях ФЭМ становятся резервным источником энергии, а в других – основным. В этом случае централиз ованная сет ь становится резервным источником энергии.

Такой прогресс в использовании фотоэле к трической энергии в первую очередь связан с с у щественным снижением стоимости фотоэлектр и ческих преобразователей (ФЭП). На сегодняшний день фотоэлектрическая энергия по стоим ости может конкурировать со стоимостью электроэне р гии, закупаемой потребителями от централизова нной сети [6, 7] . Однако система обеспечения эле ктрической энергией – это не только ФЭМ. Сто и мость частей фотоэлектрической системы, обесп ечивающих связь ФЭМ с конечным потребителем, может в разы превышать стоимость самих ФЭМ в этой системе. Очевидно, что на нынешнем этапе «бутылочным горлышком» становится уже не стоимость самих фотоэлектрических модулей, а стоимость передающих и преобразующих ус тройств, связыва ющих ФЭМ с непосредственным потребителем. Возникает острая потребность в повышении эффективности всей системы.

Новый подход к питанию нагрузки от ФЭМ параллельно с системой электроснабжения общего назначения (далее для краткости «электросеть»)

был предложен в работах [8, 9]. ФЭМ и электросеть работают на нагрузку параллельно, при этом сеть подключается к общей шине через преобразователь переменного тока в постоянный. Для реализации такого способа параллельной работы было разработано несколько схем работы ФЭМ [8]. Натурные эксперименты и испытания системы освещения [10, 11] показали стабильную, надежную и эффективную работу системы. Особо следует отметить эффективность питания разных по виду нагрузок постоянного тока.

Простейшая из представленных схем питания в своей основе имеет минимальное количество преобразующих устройств и низкую себестоимость. Фотоэлектрические модули всегда работают в условиях конкретного поступления солнечной энергии и конкретных условий окружающей среды. В связи с этим было важно количественно оценить возможности эффективной работы предложенной схемы с учетом климатических условий эксплуатации в РФ.

Методы и материалы

На рис. 1 представлена схема, поясняющая принцип работы и особенности разрабатываемой системы параллельного питания от ФЭМ и централизованной сети. Электроэнергия постоянного тока от ФЭМ по собственной линии питания поступает до точки присоединения к сети стабильного напряжения. Электроэнергия от централизованной сети через AC-DC преобразователь поступает по собственной линии питания до точки присоединения к сети стабильного напряжения. Дальше электроэнергия подаётся напрямую к потребителю постоянного тока или через инвертор к потребителю переменного тока. При этом приоритет в питании

Рис. 1. Схема питания потребителей источниками электроснабжения на основе фотоэлектрических модулей и электросети

Fig. 1. Consumer power supply diagram using power sources based on photovoltaic modules and the power grid

нагрузки отдается ФЭМ. Напряжение в точке максимальной мощности (ТММ) ФЭМ немного выше напряжения, которое обеспечивается AC-DC преобразователем централизованной сети. Так обеспечивается приоритетное использование электроэнергии ФЭМ. Когда мощности ФЭМ оказывается недостаточно для полного обеспечения потребителя, напряжение на линии ФЭМ в точке присоединения снижается. Как только оно достигает напряжения на выходе AC-DC преобразователя сети (базового напряжения), происходит распределение нагрузок и токов пропорционально внутренним сопротивлениям ФЭМ и сети. Из-за того, что AC-DC преобразователь сети поддерживает напряжение в точке присоединения лишь немного ниже напряжения ТММ, ФЭМ всегда работает в окрестности этой точки. Так предотвращается уход от ТММ на ВАХ ФЭМ.

На рис. 1 управление потоками мощности выполняют полупроводниковые диоды. В данной схеме нас интересует способность диодов проводить ток при наличии прямого падения напряжения и препятствовать протеканию тока при наличии обратного падения напряжения.

ВАХ этих диодов будут оказывать влияние на потери при работе системы. В данной работе они представлены как наиболее простые «наглядные» элементы, реализующие требуемое для работы схемы поведение. Вместо них могут использоваться и другие, например, транзисторы с блоком управления. Однако для рассмотрения принципа работы схемы конкретная реализация этого узла не имеет значения. Поэтому влияние ВАХ этих диодов на функционирование схемы не рассматривается.

Ключевым в работе системы является значение базового напряжения в сети стабильного напряжения. Оно обеспечивает работу ФЭМ близко к ТММ. Так происходит отбор мощности от ФЭМ по одному из простейших алгоритмов поиска максимальной мощности по постоянному напряжению [12]. При правильной величине напряжения AC-DC преобразователя можно обеспечить отбор мощности ФЭМ в точке, близкой к ТММ.

Электросеть, которая является источником значительной мощности, обеспечивает поток недостающей мощности, когда напряжение от ФЭМ снижается до базового напряжения.

Предложенная система отличается простотой реализации и высокой эффективностью. Но всякая оценка требует количественных значений. Эффективность системы в первую очередь будет зависеть от характеристик ФЭМ. Ключевой характеристикой ФЭМ является ее нелинейная ВАХ. Кроме того, существенное влияние на ВАХ оказывают факторы окружающей среды (климатические факторы). К этим факторам относятся: интенсивность солнечного излучения (СИ), температура эксплуатации и ветровые условия. Поэтому недостаточно просто установить фиксированные значения на-

пряжения или тока и отбирать от модулей мощность, надеясь, что она будет максимальной из

возможных.

Оценка влияния климатических факторов – сложная и трудоемкая задача, многие из факторов нелинейно влияют на ФЭМ. Для снижения трудоемкости расчетов используют приближенные линейные зависимости. Для оценки влияния температуры на мощность ФЭМ обычно применяют следующее выражение [13,14]:

^ ТММ — ^ ТММ.СУИ

-^•(1 + _Г(Т м -Т м.уи )) , (1)

^СУИ V                          '

где Р_ТММ - мощность в точке максимальной мощности ФЭМ при освещенности G и температуре Г М , Вт;

■Р_ТММ . _СУИ — мощность в точке максимальной

мощности ФЭМ при температуре Г_М . _СУИ, равной 25 °C, соответствующей стандартным условиям испытаний [15];

G - интенсивность СИ, Вт/м2;

6СУИ - интенсивность СИ при стандартных условиях испытаний, 1000 Вт/м2;

Y - температурный коэффициент по мощности.

Влияние температуры на напряжение в точке

максимальной мощности можно оценить по выражению [16]

^ ТММ ^ ТММ.СУИ

(1 + в • (Г м

-

Т м.суи

))•

где УТММ - напряжение в точке максимальной мощности ФЭМ при температуре ГМ, Вт;

^_ТММ . _СУИ - напряжение в точке максимальной мощности ФЭМ при температуре Г_М . _СУИ, равной 25 °C, соответствующей стандартным условиям испытаний [15];

в - температурный коэффициент по напряжению холостого хода.

Рабочую температуру ФЭМ с учетом температуры окружающей среды и скорости ветра можно оценить согласно эмпирическому выражению [17] Г фэм = 0,943-Г_о .с + 0,028-G - 1,528^ Кетр + 4,3,   (3)

где ГФЭМ - температура ФЭМ, °С;

Г₀ . _с - температура окружающего воздуха, °С;

Ц,етр - скорость ветра, м/с.

Представленные выражения (1)–(3) позволяют оценить влияние температуры на эффективность любого ФЭМ. Для представления влияния различных параметров окружающей среды проведем расчеты на примере монокристаллического ФЭМ мощностью 100 Вт. Такая условная мощность позволит в процентном соотношении представить разницу в эффективности ФЭМ при разных температурах окружающей среды и скоростях ветра, тем самым получить количественную оценку эффективности условного модуля, что имеет важное значение для понимания общих тенденций, влияющих на эффективность работы ФЭМ. Кроме того, на примере данной условной мощности удобно оценивать системы разной мощности от 100 Вт до 1 кВт и выше.

Температурные коэффициенты монокристаллических ФЭМ Temperature coefficients of monocrystalline PVMs

Типы ФЭМ модулей	Температурный коэффициент, %/°С			Напряжение в ТММ одного СЭ, В
	по напряжению	по току	по мощности
Серийные бытовые модели	–0,35 (–0,275…–0,4)	+0,045 (0,036…0,065)	–0,43 (–0,29…–0,5)	0,513 (0,5…0,536)
Серийные промышленные модели	–0,25 (–0,24…–0,26)	+0,046 (0,04…0,05)	–0,294 (–0,29…–0,3)	0,603 (0,6…0,606)

Температурные коэффициенты разных ФЭМ могут существенно отличаться. Чтобы определить параметры условного модуля, необходимо было выполнить обзор этих данных. В ходе обзора рассматривались как бытовые модели, широко представленные на российском рынке, так и промышленные модели от лидеров рынка.

В качестве бытовых моделей выбраны модули мощностью от 100 до 250 Вт, представленные торговыми марками Delta, Sunways, One-Sun, Topray Solar, доступные на российском рынке. Температурные коэффициенты для бытовых моделей ФЭМ составляют: по напряжению – 0,275…0,4 %/°С, по току – 0,036…0,065 %/°С, по мощности – 0,29…0,5 %/°С (см. таблицу).

В качестве промышленных моделей выбраны модули мощностью от 610 до 705 Вт от лидеров рынка CanadianSolar, Trinasolar, JAsolar, JinKOSolar. Модули последних компаний устанавливаются на крупных коммерческих солнечных электростанциях по всему миру. Эти модули на российском рынке представлены слабо, но на официальных сайтах представлена информация о них [18–21]. Температурные коэффициенты для промышленных модулей: по напряжению – 0,24…0,26 %/°С, по току – 0,04…0,05 %/°С, по мощности – 0,29…0,3 %/°С (см. таблицу).

В выражении (2) используется значение напряжения в ТММ, которые у разных модулей различны. Кроме того, у разных модулей отличается количество солнечных элементов, которое может быть не кратно 36. Бытовые модули в основном содержат 36, 60 или 72 СЭ. Промышленные модули содержат 112, 144 или 156 СЭ. Для исключения влияния этого параметра были использованы напряжения в точке максимальной мощности для одного СЭ. Напряжение в ТММ СЭ бытового модуля составляет 0,5…0,536 В, для промышленных ФЭМ это же напряжение составляет 0,6…0,606 В (см. таблицу).

Уравнение (3) позволяет определить температуру ФЭМ. Для дальнейшего рассмотрения следует определить конкретные климатические условия эксплуатации, в которых будет оценена работа ФЭМ. Для унификации сравнения характеристик модулей были выработаны установленные нормативные условия для определения рабочих характеристик и номинальной мощности ФЭМ [15, 22].

Среди таких условий:

• •    стандартные условия испытаний (СУИ);

• •    номинальная рабочая температура (НРТ);

• •    условия высокой температуры (УВТ);

• •    условия низкой температуры (УНТ).

СУИ соответствуют потоку солнечного излучения в 1000 Вт/м2 и температуре СЭ, равной 25 °С. Условия НРТ [22, 23] соответствуют интенсивности СИ в 800 Вт/м2, температуре окружающей среды 20 °С и скорости ветра 1 м/с, но не определяют температуру СЭ. Температура СЭ при этих условиях согласно уравнению (3) составит 44 °С. Условия высокой температуры соответствуют интенсивности СИ в 1000 Вт/м2 и температуре СЭ 75 °С. Условия низкой температуры соответствуют интенсивности СИ в 500 Вт/м2 и температуре СЭ 15 °С.

Результаты и обсуждение

С учетом существующих стандартов на условия для определения характеристик ФЭМ и на основе данных производителей были рассчитаны значения параметров бытовых и промышленных ФЭМ (см. таблицу). Полученные данные представляют собой средние значения. Они будут использоваться для дальнейшей оценки эффективности работы ФЭМ в различных режимах.

Согласно полученным данным для СУИ построены зависимости изменения мощности и напряжения в ТММ в зависимости от температуры окружающей среды (рис. 2, 3).

На рис. 2 наглядно представлен важный аспект, касающийся выработки ФЭМ при СУИ, когда температура СЭ равна 25 °С. Он показывает, что выработка рассматриваемого ФЭМ при СУИ в натурных условиях обеспечивается только при температуре окружающей среды –8 °С. Очевидно, что такие условия далеки от реальных условий эксплуатации.

В промышленных модулях применяются СЭ более высокого, чем в бытовых, качества и проходящие более строгий отбор по параметрам, что и обеспечивает большую стабильность характеристик.

Напряжение на одном СЭ в бытовом модуле составляет 0,513 В, а в промышленном – 0,603 В (см. таблицу). Эти значения позволяют оценить не только ФЭМ на 36 СЭ, но и модули с любым другим количество СЭ: 60, 156 и т. д. В статье будет

Рис. 2. Зависимость мощности ФЭМ от температуры окружающей среды Fig. 2. The dependence of the PVM power on the ambient temperature

Рис. 3. Зависимость напряжения в ТММ ФЭМ от температуры окружающей среды при СУИ Fig. 3. The dependence of voltage at the PVM maximum power point on the ambient temperature under standard test conditions

рассмотрен только модуль мощностью 100 Вт с 36 СЭ. Тогда для бытового варианта модуля напряжение составит 18,46 В, а для промышленного – 21,7 В. ВВХ этих модулей приведены на рис. 4. В дальнейшем будем рассматривать только бытовой вариант ФЭМ, поскольку именно бытовые модули предполагается применять для разработанной системы электроснабжения.

Как указано выше, напряжение в сети стабилизированное и устанавливается согласно выходному напряжению AC-DC преобразователя. Пренебрегая потерями в проводах и диодах, при установке выходного напряжения преобразователя, работающего совместно с бытовой версией модуля мощностью 100 Вт, на уровне 18,46 В система обеспечит отбор мощности от ФЭМ в точке максимальной мощности (см. рис. 4).

Однако реальные условия эксплуатации ФЭМ вносят существенные изменения в характеристики модулей. Таким образом, следует принимать во внимание наиболее типичные климатические условия. Для этого необходимо оценить напряжение в ТММ при НРТ (рис. 5).

Переход от условия по температуре СЭ к условию по температуре окружающей среды (даже при наличии ветра по НРТ) приводит к повыше- нию температуры СЭ. Вместе со снижением интенсивности СИ это приводит к значительному снижению мощности СЭ. Мощность ФЭМ бытового типа при СУИ равна номинальной и составляет 100 Вт. При переходе к НРТ мощность снижается на 26,5 % до 73,5 Вт, а напряжение в ТММ снижается до 17,2 В. Настройка базового напряжения при СУИ приведёт к тому, что ФЭМ почти не будет работать в ТММ. Условия НРТ приближают расчетные значения к реальным условиям эксплуатации, и именно по ним должна проводиться настройка базового напряжения.

УВТ и УНТ определяют граничные условия эксплуатации СЭ. ВВХ ФЭМ бытового варианта мощностью 100 Вт для этих условий приведены на рис. 6.

Представленные на рис. 6 характеристики показывают работу системы при различных значениях интенсивности и температуры. Если настроить базовое напряжение равным напряжению в ТММ при условиях НРТ (что составит 17,2 В), то изменения мощности в УВТ и УНТ можно оценить по рис. 6. При УНТ напряжение в ТММ будет выше и составит 19,1 В. При работе на базовое напряжение в 17,2 В снижение мощности составит около 6 % (с 52 до 49 Вт).

Рис. 4. ВВХ ФЭМ мощностью 100 Вт бытового и промышленного вариантов при СУИ Fig. 4. 100 W household and industrial PVMs under standard test conditions

Рис. 5. ВАХ и ВВХ ФЭМ бытового варианта при СУИ и условиях НРТ Fig. 5. VAC and power of the household PVM under standard test conditions and nominal operating temperature conditions

Рис. 6. ВВХ бытового ФЭМ при нормативных условиях эксплуатации НРТ, УНТ и УВТ Fig. 6. Household PVM power under standard operating conditions at nominal operating temperature, low and high temperature conditions

При работе ФЭМ в УВТ напряжение в ТММ модуля падает до 15,2 В, а мощность увеличивается до 78,5 Вт. При работе на базовое напряжение в 17,2 В мощность составит 56 Вт, т. е. на 28,7 % ниже ТММ. Относительное снижение выходной мощности при УВТ больше, чем при УНТ, но изменение напряжения примерно одинаково между напряжения в ТММ при УНТ. Это вызвано нелинейностью ВАХ.

Температура СЭ в модуле, равная 75 °С при УВТ, достижима только при температуре окружающей среды 45 °С при полном отсутствии ветра. Климатическим условиям южных регионов РФ соответствует температура окружающей среды ниже 35 °С (например, средний максимум температур Новороссийска составляет 30 °С). Напряжение в точке максимальной мощности при этой температуре снижается до 15,9 В. Снижение мощности в рассматриваемой системе составит около 7 % – с 82,7 до 77 Вт (рис. 7). Расчет, согласно УВТ, показывает гораздо большее снижение мощности (28,7 %), чем условия работы в регионах РФ (7 %).

Согласно представленным выше оценкам, следует отметить, что условия НРТ являются наиболее подходящими для расчета базового напряжения предлагаемой системы с параллельным питанием от ФЭМ и сети. Для ФЭМ бытового варианта мощностью 100 Вт это напряжение соответствует 17,2 В, для промышленного варианта – 20,5 В (рис. 8).

Рис. 8 позволяет определить необходимое базовое напряжение в разработанной системе электроснабжения при применении бытовых и промышленных модулей с 36 последовательно соединенными СЭ. Для более точного расчета конкретного ФЭМ в заданном месте установки базовое напряжение в условиях НРТ можно определить по выражениям (2) и (3) на основании паспортных данных ФЭМ и метеорологических данных места установки.

Базовое напряжение можно определить экспериментальным способом. Для этого необходимо измерить ВАХ ФЭМ при температуре окружающей среды 20 °С в ясный солнечный день при интенсивности СИ 800 Вт/м².

Рис. 7. ВВХ ФЭМ при УНТ, условиях НРТ и при интенсивности CИ 1000 Вт/м2 и температуре воздуха 35 °С (ВВХ_t_35)

Fig. 7. PVM power at low temperature conditions, nominal operating temperature conditions, at a solar radiation intensity of 1000 W/m2 and an air temperature of 35 °С (ВВХ_t_35)

Температура окружающей среды, °C

Рис. 8. Зависимость напряжения в ТММ ФЭМ от температуры окружающей среды при условиях НРТ Fig. 8. The dependence of voltage at the FVM maximum power point on the ambient temperature under nominal operating temperature conditions

Для повышения эффективности работы ФЭМ возможна корректировка базового напряжения в течение года. Количество корректировок и их значения определяются согласно представленной методике или с помощью экспериментальных измерений. Возможно использование устройств с алгоритмами поиска точки отбора максимальной мощности или других устройств [12], обеспечивающих повышение отбираемой мощности.

Предлагаемая система на основе разработанной схемы (см. рис. 1) проста в реализации. В схеме используются существующие доступные и дешевые преобразователи. Если базовое напряжение установить равным стандартным значениям напряжения, кратным 12 В, и использовать нагрузку на это же напряжение, то система будет работать даже с одним AC-DC преобразователем. Например, для работы на потребителей с напряжением 36 В можно использовать ФЭМ бытового типа с 72 последовательно соединенными СЭ; его напряжение в ТММ составит 36,9 В. Предложенное устройство может питать нагрузку постоянного тока, обеспечивая более эффективный отбор мощности от ФЭМ, чем схемы с ШИМ-контроллером без устройств поиска точки максимальной мощности (ТММ).

Выводы

В статье была оценена эффективность простой системы электроснабжения потребителей с питанием от источника на основе фотоэлектрических модулей и централизованной электросети. Эта система позволяет эффективно отбирать мощность от ФЭМ.

Были определены средние значения параметров бытовых и промышленных модулей. На основании этих параметров рассчитано влияние условий эксплуатации на эффективность работы системы электроснабжения. При выборе базового напряжения для рассматриваемой системы параллельного питания следует использовать условиях НРТ. Такой уровень напряжения обеспечит эффективный отбор мощности при эксплуатации системы круглый год. Для ФЭМ бытового типа снижение мощности в зимний период может доходить до 6 %. В летний период снижение мощности может доходить до 7 % в наиболее жаркие и ясные дни.

В статье описан способ определения базового напряжения для бытовых и коммерческих модулей без необходимости расчетов.

Представленные система и метод позволяют эффективно отбирать мощность в течение всех сезонов года и подходят для фотоэлектрических систем низкой мощности. Для более высоких мощностей целесообразно использование специальных устройств отбора мощности с современными алгоритмами поиска точки максимальной мощности.