Основы программного обеспечения и топологии СЭС.
Данный курс разрешено использовать в образовательных целях.
Моделирование производительности
Сложное программное обеспечение моделирования используется для прогнозирования выработки солнечной электростанции. Отчеты прогнозирования должны учитывать факторы, негативно сказывающиеся на производительности станции.
Расчет энергетической выработки. Обзор программного обеспечения.
Для моделирования солнечной электростанции инженеры должны применять только лицензионное программное обеспечение, что дает возможность работать с самыми актуальными базами данных по климатическим условиям и параметрам оборудования. Использование лицензионного ПО гарантирует, что полученные результаты будут максимально точно прогнозировать результаты работы как промышленной солнечной электростанции, так и домашнего использования.
Неопределенность в прогнозировании энергетической выработки для моделирования выработанной энергии зависит на каждом этапе моделирования от неопределенности входных параметров. Моделирование программного обеспечения само по себе может допускать неопределенность 2% до 3%.
Применение солнечных элементов совпадает с применением других источников электроэнергии, но в отличии от них, солнечные панели зависят от количества света которое падает на их поверхность. Допустим, в пасмурную погоду облака могут заметно снизить выходную мощность фотоэлектрической панели, вплоть до 50%. Также, даже небольшой брак в солнечных элементах может снизить КПД даже у панелей из одной партии. Поэтому, для обеспечения желаемой мощности необходимо сортировать элементы по выходному току. В качестве примера можно привести следующий: если в водопроводную трубу, имеющую довольно большой диаметр, попытаться вставить трубу с меньшим диаметром, естественно, что водоток станет меньше. Такое же и происходит в цепочках солнечных элементов, если их параметры будут неоднородны.
Кремниевые солнечные элементы нельзя описать простым законом Ома, так как это нелинейный элемент. Вместо этого для объяснения характеристик элемента можно использовать несколько простых кривых — вольтамперных характеристик (ВАХ).
Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом, слегка изменяется при переходе от одного элемента к другому в одной партии и от одной фирмы изготовителя к другой и составляет около 0.6 В. Эта величина не зависит от размеров элемента. По-иному обстоит дело с током. Он зависит от интенсивности света и размера элемента, под которым подразумевается площадь его поверхности. Элемент размером 100*100 мм в 100 раз превосходит элемент размером 10*10 мм и, следовательно, он при той же освещенности выдаст ток в 100 раз больший.
Пиковая мощность соответствует напряжению около 0,47 В. Таким образом, чтобы правильно оценить качество солнечного элемента, а также ради сравнения элементов между собой в одинаковых условиях, необходимо нагрузить его так, чтобы выходное напряжение равнялось 0,47 В. После того, как солнечные элементы подобраны для работы, необходимо их спаять. Серийные элементы снабжены токосъемными сетками, которые предназначены для припайки к ним проводников.
Одним из немаловажных аспектов работы солнечного элемента является его температурный режим. Так, при нагреве одного элемента всего на один градус выше нормы (25оС) он может потерять в напряжении около 0,002 В, т.е. 0,4%/градус. На рисунке 5.3 приведена кривая ВАХ для температур 25оС и 60оС.
В достаточно солнечный день различные элементы могут нагреваться вплоть до 60-70оС и терять при этом 0,07-0,09 В каждый. Эта причина является одной из основных при падении напряжения, а как следствия и падения КПД солнечного элемента.
КПД обычного солнечного элемента в настоящее время колеблется в пределах 10-16 %. Это значит, что элемент размером 100*100 мм при стандартных условиях может генерировать 1-1,6 Вт.
Все фотоэлектрические системы можно разделить на два типа: автономные и соединенные с электрической сетью.
Автономная система в общем случае состоит из набора солнечных модулей, размещенных на опорной конструкции или на крыше, аккумуляторной батареи (АКБ), контроллера разряда — заряда аккумулятора, соединительных кабелей. Солнечные модули являются основным компонентом для построения фотоэлектрических систем. Они могут быть изготовлены с любым выходным напряжением.
При наземном использовании они обычно используются для зарядки аккумуляторных батарей (АКБ) с номинальным напряжением 12 В. В этом случае, как правило, 36 солнечных элементов соединяются последовательно и герметизируются посредством ламинации на стекле, текстолите, алюминии. Элементы при этом находятся между двумя слоями герметизирующей пленки, без воздушного зазора. Технология вакуумной ламинации позволяет выполнить это требование. В случае воздушной прослойки между защитным стеклом и элементом, потери на отражение и поглощение достигли бы 20-30 % по сравнению с 12 % — без воздушной прослойки.
Электрические параметры солнечного элемента представляются как и отдельного солнечного элемента в виде вольтамперной кривой при стандартных условиях ( Standart Test Conditions), т.е., при солнечной радиации 1000 Вт/м2, температуре — 25оС и солнечном спектре на широте 45о(АМ1,5).
Среднее значение для рабочего напряжения модуля, который состоит из 36 элементов, будет примерно от 16 до 17 В (это примерно 0,45….0,47 В на один элемент) при стандартной температуре 25о С.
Таким образом, при нагреве в реальных условиях работы, модули разогреваются до температуры 60-70оС, что соответствует смещению точки рабочего напряжения, например, для модуля с рабочим напряжением 17 В — со значения 17 В до 13,7-14,4 В (0,38-0,4 В на элемент).
Исходя из всего выше сказанного и надо подходить к расчету числа последовательно соединенных элементов модуля. Если потребителю необходимо иметь переменное напряжение, то к этому комплекту добавляется инвертор-преобразователь постоянного напряжения в переменное.
Под расчетом ФЭС понимается определение номинальной мощности модулей, их количества, схемы соединения; выбор типа, условий эксплуатации и емкости АКБ; мощностей инвертора и контроллера заряда-разряда; определение параметров соединительных кабелей.
Для начала следует подсчитать общую потребляемую мощность для всех возможных потребителей. Мощность потребителя можно узнать из паспорта изделия. На этом этапе можно подобрать инвертор, для этого достаточно увеличить мощность в 1,3 раза минимум. Но надо иметь в виду, что некоторые устройства потребителя, такие как холодильник, в момент пуска потребляют мощность в 2-3 раза больше паспортной. Для мощных станций (более 3 кВт) напряжение инвертора должно быть не менее 48 В, т.к. инверторы хорошо справляются с большими напряжениями, тем самым снижаются потери.
Расчет мощности потребляемой потребителями. При расчете солнечной электростанции первым делом необходимо составить простой список потребителей электроэнергии. Посчитать сколько мощности потребляет каждый потребитель, сколько напряжения, и соответственно внести в таблицу.
К инвертору подключаются потребители переменного напряжения (в нашем случае это потребители с №1 по №4, и №6 из таблицы), а постоянного (освещение № 5 и некоторые другие потребители № 7 из таблицы) напрямую через контроллер заряда. В данной рассматриваемой системе в качестве основной шины взята шина с напряжением равным 24 В, соответствующим напряжению аккумулятора АСЭ.
После этого необходимо узнать сколько времени в часах работает тот или иной потребитель в сутки. Затем, умножив мощность потребителя на все время его работы, мы определим, сколько ежедневно потребляет данная нагрузка электроэнергии. Таким образом, строят таблицу потребления энергии в сутки.
Таблица суточного энергопотребления
| Нагрузка | Мощность, Вт | Напряжение, В | Время работы, ч/сут | Потребление, ВТ·ч/сут |
| 1 Чайник | 1000 | 220 | 0,5 | 500 |
| 2 СВЧ-печь | 1300 | 220 | 0,25 | 325 |
| 3 Холодильник | 250 | 220 | 12 | 3000 |
| 4 Телевизор | 100 | 220 | 6 | 600 |
| 5 Освещение | 100 | 24 | 6 | 600 |
| 6 Ноутбук | 70 | 220 | 5 | 350 |
| 7 Другие потребители | 100 | 24 | 3 | 300 |
| Итого | 2920 | 5675 |
Солнечная электростанция может питать множество потребителей энергии с условием, что общая энергия мощность потребителей не будет превышать мощность СЭС. Список потребителей содержит нагрузки, работающие либо постоянно (освещение), либо непостоянно (чайник, телевизор). Но также, нагрузки, которые работают непостоянно, разбиваются на две категории, одни работают с фиксированным интервалом, другие же с плавающим (например, как холодильник из таблицы).
Поэтому, важно правильно определять суммарную выходную мощность солнечной электростанции. Для снижения стоимости СЭ надо построить также и график изменения потребления нагрузки в день, то есть составить таблицу по времени и вписать туда время работы нагрузки. Важно следить за тем, чтобы не было одновременно включено несколько потребителей с большой мощностью, либо большое количество потребителей с небольшой мощностью. При построении такого графика очень тяжело точно понять, когда включается потребитель с плавающей нагрузкой (холодильник, таблица). Чтобы наверняка обезопасить себя, и не промахнуться, предположим, что такие потребители работают постоянно.
