Практичний курс. Основи програмного забезпечення і топології СЕС.

Основи програмного забезпечення і топології СЕС.

Даний курс дозволено використовувати в освітніх цілях.

Моделювання продуктивності

Складне програмне забезпечення моделювання використовується для прогнозування вироблення сонячної електростанції. Звіти прогнозування повинні враховувати фактори, що негативно позначаються на продуктивності станції.

Розрахунок енергетичної вироблення. Огляд програмного забезпечення. 

Для моделювання сонячної електростанції інженери повинні застосовувати тільки ліцензійне програмне забезпечення, що дає можливість працювати з найактуальнішими базами даних за кліматичними умовами і параметрами устаткування. Використання ліцензійного ПЗ гарантує, що отримані результати будуть максимально точно прогнозувати результати роботи як промислової сонячної електростанції, так і домашнього використання. 

Невизначеність в прогнозуванні енергетичної вироблення для моделювання виробленої енергії залежить на кожному етапі моделювання від невизначеності вхідних параметрів. Моделювання програмного забезпечення саме по собі може допускати невизначеність 2% до 3%.

Застосування сонячних елементів збігається із застосуванням інших джерел електроенергії, але на відміну від них, сонячні панелі залежать від кількості світла яке падає на їх поверхню. Припустимо, в похмуру погоду хмари можуть помітно знизити вихідну потужність фотоелектричної панелі, аж до 50%. Також, навіть невеликий шлюб в сонячних елементах може знизити ККД навіть у панелей з однієї партії. Тому, для забезпечення бажаної потужності необхідно сортувати елементи по вихідному струму. Як приклад можна навести такий: якщо в водопровідну трубу, що має досить великий діаметр, спробувати вставити трубу з меншим діаметром, природно, що водотік стане менше. Таке ж і відбувається в ланцюжках сонячних елементів, якщо їх параметри будуть неоднорідні.

Кремнієві сонячні елементи не можна описати простим законом Ома, так як це нелінійний елемент. Замість цього для пояснення характеристик елемента можна використовувати кілька простих кривих – вольтамперних характеристик (ВАХ).

Напруга холостого ходу, що генерується одним елементом, злегка змінюється при переході від одного елемента до іншого в одній партії і від однієї фірми виробника до іншого і становить близько 0.6 В. Ця величина не залежить від розмірів елемента. По-іншому йде справа з струмом. Він залежить від інтенсивності світла і розміру елемента, під яким мається на увазі площа його поверхні. Елемент розміром 100 * 100 мм в 100 разів перевершує елемент розміром 10 * 10 мм і, отже, він при тій же освітленості видасть струм в 100 разів більший. 

Пікова потужність відповідає напрузі близько 0,47 В. Таким чином, щоб правильно оцінити якість сонячного елемента, а також заради порівняння елементів між собою в однакових умовах, необхідно навантажити його так, щоб вихідна напруга дорівнювала 0,47 В. Після того, як сонячні елементи підібрані для роботи, необхідно їх спаяти. Серійні елементи забезпечені струмознімальних сітками, які призначені для припаювання до них провідників.

Одним з важливих аспектів роботи сонячного елемента є його температурний режим. Так, при нагріванні одного елемента всього на один градус вище норми (25^оС) він може втратити в напрузі близько 0,002 В, тобто 0,4% / градус. На малюнку 5.3 приведена крива ВАХ для температур 25^°Сі 60^оС.

В досить сонячний день різні елементи можуть нагріватися аж до 60-70^оС і втрачати при цьому 0,07-0,09 В кожен. Ця причина є однією з основних при падінні напруги, а як наслідку і падіння ККД сонячного елементу.

ККД звичайного сонячного елемента в даний час коливається в межах 10-16%. Це означає, що елемент розміром 100 * 100 мм при стандартних умовах може генерувати 1-1,6 Вт.

Всі фотоелектричні системи можна розділити на два типи: автономні і сполучені з електричною мережею.

Автономна система в загальному випадку складається з набору сонячних модулів, розміщених на опорній конструкції або на даху, акумуляторної батареї (АКБ), контролера розряду – заряду акумулятора, сполучних кабелів. Сонячні модулі є основним компонентом для побудови фотоелектричних систем. Вони можуть бути виготовлені з будь-яким вихідним напругою.

При наземному використанні вони зазвичай використовуються для зарядки акумуляторних батарей (АКБ) з номінальною напругою 12 В. В цьому випадку, як правило, 36 сонячних елементів з’єднуються послідовно і герметизуються за допомогою ламінації на склі, текстоліті, алюмінії. Елементи при цьому знаходяться між двома шарами герметизирующей плівки, без повітряного зазору. Технологія вакуумної ламінації дозволяє виконати цю вимогу. У разі повітряного прошарку між захисним склом і елементом, втрати на відбиття і поглинання досягли б 20-30% в порівнянні з 12% – без повітряного прошарку.

Електричні параметри сонячного елемента представляються як і окремого сонячного елемента у вигляді вольтамперної кривої при стандартних умовах (Standart Test Conditions), тобто, при сонячної радіації 1000 Вт / м^2,температурі – 25^оС і сонячному спектрі на широті 45^про( АМ1,5). 

Середнє значення для робочої напруги модуля, який складається з 36 елементів, буде приблизно від 16 до 17 В (це приблизно 0,45 … .0,47 В на один елемент) при стандартній температурі  °²⁵ С

Таким чином, при нагріванні в реальних умовах роботи, модулі розігріваються до температури 60-70^ос, що відповідає зсуву точки робочої напруги, наприклад, для модуля з робочою напругою 17 В – зі значення 17 В до 13,7-14,4 В (0,38-0, 4 В на елемент).

Виходячи з усього вище сказаного і треба підходити до розрахунку числа послідовно з’єднаних елементів модуля. Якщо споживачеві необхідно мати змінне напруга, то до цього комплекту додається інвертор-перетворювач постійної напруги в змінну.

Під розрахунком ФЕС розуміється визначення номінальної потужності модулів, їх кількості, схеми з’єднання; вибір типу, умов експлуатації та ємності АКБ; потужностей інвертора і контролера заряду-розряду; визначення параметрів з’єднувальних кабелів.

Для початку слід підрахувати загальну споживану потужність для всіх можливих споживачів. Потужність споживача можна довідатися з паспорта вироби. На цьому етапі можна підібрати інвертор, для цього достатньо збільшити потужність в 1,3 рази мінімум. Але треба мати на увазі, що деякі пристрої споживача, такі як холодильник, в момент пуску споживають потужність в 2-3 рази більше паспортної. Для потужних станцій (більше 3 кВт) напруга інвертора має бути не менше 48 В, тому що інвертори добре справляються з великими напруженнями, тим самим знижуються втрати.

Розрахунок потужності споживаної споживачами. При розрахунку сонячної електростанції в першу чергу необхідно скласти простий список споживачів електроенергії. Порахувати скільки потужності споживає кожен споживач, скільки напруги, і відповідно внести в таблицю.

До инвертору підключаються споживачі змінної напруги (в нашому випадку це споживачі з №1 по №4, і №6 з таблиці), а постійного (освітлення № 5 і деякі інші споживачі № 7 з таблиці) безпосередньо через контролер заряду. У даній розглянутій системі в якості основної шини взята шина з напругою рівним 24 В, відповідним напрузі акумулятора АСЕ.

Після цього необхідно дізнатися скільки часу в годинах працює той чи інший споживач на добу. Потім, помноживши потужність споживача на весь час його роботи, ми визначимо, скільки щодня споживає дана навантаження електроенергії. Таким чином, будують таблицю споживання енергії на добу.

Таблиця добового енергоспоживання

Навантаження	Потужність, Вт	Напруга, В	Час роботи, год / добу	Споживання, ВТ · год / добу
1 Чайник	1000	220	0,5	500
2 СВЧ-піч	1300	220	0,25	325
3 Холодильник	250	220	12	3000
4 Телевізор	100	220	6	600
5 Освітлення	100	24	6	600
6 Ноутбук	70	220	5	350
7 Інші споживачі	100	24	3	300
Разом	2920			5675

Сонячна електростанція може живити безліч споживачів енергії з умовою, що загальна енергія потужність споживачів не буде перевищувати потужність СЕС. Список споживачів містить навантаження, працюють чи постійно (освітлення), або постійно (чайник, телевізор). Але також, навантаження, які працюють не постійно, розбиваються на дві категорії, одні працюють з фіксованим інтервалом, інші ж з плаваючим (наприклад, як холодильник з таблиці). 

Тому, важливо правильно визначати сумарну вихідну потужність сонячної електростанції. Для зниження вартості СЕ треба побудувати також і графік зміни споживання навантаження в день, тобто скласти таблицю за часом і вписати туди час роботи навантаження. Важливо стежити за тим, щоб не було одночасно включено кілька споживачів з великою потужністю, або велика кількість споживачів з невеликою потужністю. При побудові такого графіка дуже важко точно зрозуміти, коли включається споживач з плаваючою навантаженням (холодильник, таблиця). Щоб напевно убезпечити себе, і не промахнутися, припустимо, що такі споживачі працюють постійно.