До питання визначення дійсних геліоенергетичних ресурсів
Даны результаты моделирования фотоэлектростанций в программных комплексах RETScreen и PVSYST для условий равнинной части Украины. Проведено сравнение результатов моделирования с расчётной моделью и результатами функционирования реальной станции. Расчетная модель построена с учетом прямой и рассеянно...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы машиностроения |
|---|---|
| Дата: | 2015 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2015
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81042 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | До питання визначення дійсних геліоенергетичних ресурсів / В.В. Филенко // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 1. — С. 67-72. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859810733260275712 |
|---|---|
| author | Филенко, В.В. |
| author_facet | Филенко, В.В. |
| citation_txt | До питання визначення дійсних геліоенергетичних ресурсів / В.В. Филенко // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 1. — С. 67-72. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы машиностроения |
| description | Даны результаты моделирования фотоэлектростанций в программных комплексах RETScreen и PVSYST для условий равнинной части Украины. Проведено сравнение результатов моделирования с расчётной моделью и результатами функционирования реальной станции. Расчетная модель построена с учетом прямой и рассеянной солнечной радиации Выявлены закономерности и выдвинуты предположения по особенностям их возникновения. Представлены подходы к определению потенциала солнечной энергетики и классификация фотоэлектрических панелей на основе выделения трёх поколений фотоэлектрических преобразователей. Описано технологическую схему лабораторно-исследовательского стенда, фиксирующего параметры работы фотоэлектростанции: текущее напряжение и мощность электрического тока, продолжительность работы системы, дневную и суммарную выработку энергии. Представлены рекомендации по сферам применения программных комплексов. RETScreen 4.0 может быть успешно использован на начальных этапах подготовки к принятию решений, но дает высокую погрешность сезонных изменений солнечной инсоляции.
Подано результати моделювання фотоелектростанцій у програмних комплексах RETScreen і PVSYST, їх порівняння з розрахунковою моделлю та результатами функціонування реальної станції. Наведено підходи до визначення потенціалу сонячної енергетики та класифікацію фотоелектричних панелей. Описано технологічну схему лабораторно-дослідного стенда. Зроблено рекомендації щодо сфери застосування програмних комплексів RETScreen 4.0 та PVSYST V5.56.
PV-farm simulation results in software package RETScreen and PVSYST for conditions of the plain part of Ukraine are posted. The simulation results with the estimated model and the results of the operation of a real station were compared. The estimated model is built based on the direct and diffuse solar radiation. Imposed approaches to determining the potential of solar energy and photovoltaic panels classification based on the identification of three generations of photovoltaic cells. The technological scheme of laboratory research stand fixing the parameters of the photoelectric: current voltage and power electric current running time of the day and the total energy production was described. Provided recommendations for areas application software systems. RETScreen 4.0 can be successfully used in the early stages of decision-making, but gives high accuracy of seasonal changes in solar insolation.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:18:57Z |
| format | Article |
| fulltext |
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 1 67
В. В. Филенко
Інститут проблем
машинобудування
ім. А. М. Підгорного
НАН України, м. Харків,
е-maіl: fylenko@gmail.com
Ключові слова: відновлювані дже-
рела енергії, потенціал, фотоелек-
тричний перетворювач, кут нахилу.
УДК 620.92
ДО ПИТАННЯ ВИЗНАЧЕННЯ ДІЙСНИХ
ГЕЛІОЕНЕРГЕТИЧНИХ РЕСУРСІВ
Подано результати моделювання фотоелектростанцій у програмних
комплексах RETScreen і PVSYST, їх порівняння з розрахунковою моделлю
та результатами функціонування реальної станції. Наведено підходи до
визначення потенціалу сонячної енергетики та класифікацію фото-
електричних панелей. Описано технологічну схему лабораторно-
дослідного стенда. Зроблено рекомендації щодо сфери застосування
програмних комплексів RETScreen 4.0 та PVSYST V5.56.
Постановка проблеми
Використання відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) вже давно стало необхідною передумо-
вою створення належних умов сталого енергетичного розвитку та енергетичної безпеки. Незважаючи
на велику кількість фундаментальних теоретичних досліджень у цьому напрямі, їх практичне викори-
стання показує значні розбіжності між теоретичними розрахунками ефективності використання поте-
нціалу ВДЕ та його реальними значеннями. Особливого значення ці розбіжності набувають у систе-
мах на основі фотоелектричних перетворювачів (ФЕП), де вартість фотоелементів є дуже високою, а
похибка при оцінці необхідної встановленої потужності у 15–20% може поставити під загрозу функ-
ціонування всієї системи.
За таких обставин вибір адекватної моделі для оцінки режиму роботи фотоелектричної станції
(ФЕС) має базуватися на просторово-часовому розподілі інсоляції, технології виготовлення ФЕП, те-
хнологічних особливостях ФЕС та результатах натурних досліджень.
Виклад основного матеріалу
Найвищий рівень достовірності про рівень інсоляції та її характер можуть дати результати
довгострокових актинометричних досліджень інтенсивності прямої, розсіяної та сумарної сонячної
радіації на горизонтальну поверхню. Такі дослідження на території України проводилися лише у 21
пункті спостережень, що не дає можливості їх використання для всієї території України.
Іншим джерелом про рівень інсоляції конкретної території є результати довгострокового до-
слідження НАСА [1], що включають супутникове вимірювання, моделювання атмосфери та наземні
дослідження. У цій моделі під час моделювання атмосфери використано такі фактори, як кліматичні
зони, альбедо, хмарність, опади та аерозолі в атмосфері. Дані містяться у масштабі 2,50х2,50 (з пере-
рахунком до 1,00х1,00). Наведено лише дані про пряму сонячну радіацію, водночас як місячне надхо-
дження сумарної радіації на похилу поверхню складається з місячних сум прямої та розсіяної радіації
[2]
QП = ΣSП + ΣDП,
де QП – місячне надходження сумарної сонячної радіації на поверхню фотоелектричних панелей пло-
щиною 1 м2; ΣSП – місячні суми прямої радіації на похилу поверхню; ΣDП – місячні суми розсіяної
радіації на похилу поверхню.
Потік розсіяної радіації на похилу поверхню визначається згідно з рекомендаціями [3]
ΣDП = ΣDГcos2α/2,
де ΣDГ – місячні суми розсіяної радіації на горизонтальну поверхню; α – кут нахилу приймаючої по-
верхні.
Місячні суми прямої радіації на похилу поверхню можна розрахувати за допомогою коефіціє-
нта переходу до перших сум прямої радіації на горизонтальну поверхню
ΣSП = KSΣSГ,
© В. В. Филенко, 2015
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 1 68
де KS – коефіцієнт переходу від сум прямої радіації на горизонтальну поверхню до аналогічних зна-
чень на похилу поверхню; ΣSГ – місячні суми прямої радіації на горизонтальну поверхню.
Коефіцієнт переходу (Ks) може бути розрахований за допомогою відношення сум теоретично
можливої прямої радіації на похилу поверхню до її значень на горизонтальну поверхню
KS = ΣS 'П/ΣS 'Г,
де ΣS 'П – місячні суми теоретично можливої прямої радіації на похилу поверхню за умов ясного неба;
ΣS 'Г – аналогічні значення на горизонтальну поверхню.
Потік прямої радіації на горизонтальну поверхню при ясному небі
S 'Г = Smsinh0,
де Sm – пряма радіація у земної поверхні, що надходить на нормальну до сонячних променів поверх-
ню; h0 – висота Сонця.
Перша величина може бути розрахована через сонячну сталу S0
0бτ
2
0
ρ
m
m eSS −= ,
де ρ – відстань між Землею та Сонцем, виражена в одиницях середньої відстані; τб – оптична товща
атмосфери; m0 – повітряна маса у напрямі на Сонце.
Висота Сонця може бути виражена через схилення Сонця, широту місцевості та часовий кут
Сонця
sinh0 = sinϕsinδ + cosϕcosδcosΩ,
де ϕ – широта місцевості; δ – схилення Сонця, Ω – часовий кут Сонця.
Аналогічним чином розраховується надходження сонячної радіації на похилу поверхню
S 'П = Smcosi,
де i – кут падіння сонячних променів на поверхню схилу
cosi = cosαsinh0 + sinαcosh0cosψ,
ψ = ψo – ψn,
де ψo, ψn, – азимути Сонця і проекції нормалі, побудованої до схилу, на горизонтальну площину; ази-
мути векторів відраховуються від площини меридіану (прийнято відраховувати азимути додатними у
напрямку годинникової стрілки).
Азимут Сонця визначається співвідношеннями
.
cosh
sinδcossin,
coscosh
sinδsinsinhcosψ
o
o
o
o
o
Ω
=ψ
ϕ
−ϕ
=
Виробіток енергії ФЕП знаходиться у прямій залежності від таких чинників:
– сумарної сонячної радіації, що надходить на їх поверхню;
– коефіцієнта корисної дії сонячних батарей;
– площі поверхні фотоелектричних панелей;
– частки ефективної поверхні останніх.
Місячний виробіток енергії фотоелектричними системами можна розрахувати за допомогою
рівняння
A = QпSФПКККДКЕП,
де А – місячний виробіток енергії фотоелектричними системами (кВт⋅год); QП – місячне надходження
сумарної сонячної радіації на поверхню фотоелектричних панелей площиною 1 м2; SФП – площина
фотоелектричних панелей; КККД – коефіцієнт корисної дії сонячних батарей; КЕП – коефіцієнт, що ві-
дображає частку ефективної поверхні.
Останні три параметри характеризують особливості виконання ФЕП.
Основним матеріалом для виготовлення сонячних модулів є кремній. Близько 83% усіх моду-
лів виготовляється на основі кристалічного кремнію, ще 14 – на основі тонкоплівкових структур і
лише 3% – на основі інших типів, включаючи концентраторні сонячні енергоустановки [5].
На сучасному етапі прийнято розрізняти 3 покоління технологій виробництва ФЕП.
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 1 69
Перше покоління включає технології використання кремнієвих пластин. Сюди відносяться
моно- та полікристалічний кремній (mc-Si та m-Si), технології на основі GaAs (Si, GaAs), ribbon-
технолгіії (EFG, S-web) та тонкошаровий полікремній (Apex).
Друге покоління – тонкі плівки неорганічних або органічних напівпровідників на склі. До
цього покоління відносять ФЕП, виконані з аморфного кремнію (a-Si), мікро- та нанокремнію (μc-
Si/nc-Si), кремнію на склі (CSG), телуриду кадмію (CdTe), а також селениду галію-індію-міді (CIGS)
та селеніду індію-міді (CIS).
Третє покоління – тонкі плівки на гнучких підкладках (a-Si, CdTe, CIGS).
Для спрощення роботи з великою кількістю баз даних та прискорення проектних розрахунків
ФЕС розроблені спеціальні програмні комплекси. Значного поширення набули два такі комплекси:
RETScreen та PVSYST.
В роботі проведено порівняння результатів розрахунків, виконаних за методикою, наведеною
вище, у програмних комплексах RETScreen та PVSYST (для кутів нахилу 32° та 44°) з результатами
функціонування реальної ФЕС. Технологічна схема ФЕС та лабораторно-дослідного стенда наведено
на рис. 1, а нижче її основні характеристики.
Досліджуваними параметрами при роботі ФЕС є:
– поточна напруга та потужність електричного струму на вході;
– тривалість роботи фотоелектричної системи (тривалість сонячного періоду, придатного для виро-
бництва електроенергії);
– денний та сумарний виробіток енергії за період роботи;
– безконтактне вимірювання параметрів постійного струму.
Лабораторно-дослідний стенд спроектовано та встановлено у північному корпусі Харківсько-
го національного університету імені В. Н. Каразіна. Схему покрівлі корпусу та місце розташування
ФЕС зображено на рис. 2.
Основні технічні характеристики фотоелектричних елементів:
Тип Полікристалічні сонячні JKM 235P-60 (5 шт)
Геометричні розміри панелі, мм 1650×992×45
Встановлений кут нахилу 44°
Номінальна потужність 1175 Вт
Рис. 1. Принципова та електрична схеми стенда для дослідження роботи ФЕС
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 1 70
Максимальна напруга 149 В
Максимальна сила струму 7,89 А
У системі використано мережевий інвертор для ФЕП SMA SUNNY BOY 1700, призначений
для роботи в сонячних фотоелектричних системах, що працюють паралельно з централізованим елек-
тропостачанням. Інвертор оснащено функцією відслідковування процесу OptiTrac MPP, що дозволяє
працювати інвертору у оптимальному режимі, навіть за різких змін погодних умов. Інвертори серії
SUNNY BOY були спеціально розроблені для роботи у малих та середніх системах електроживлення.
Паспортну ефективність роботи інвертора зображено на рис. 3.
Рис. 2. Схема покрівлі лівого крила північного корпусу ХНУ імені В. Н. Каразіна
Рис. 3. Ефективність роботи сонячного інвертора
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 1 71
Рівень шуму під час роботи інвертора не перевищує 46Дб, внутрішнє використання
електроенергії у нічний час складає менше 0,1 Вт.
Вбудована система моніторингу роботи інвертора дає можливість відслідковувати такі пара-
метри роботи ситами:
– поточна напруга та потужність електричного струму на вході;
– тривалість роботи фотоелектричної системи (тривалість сонячного періоду, придатного для виро-
бництва електроенергії);
– сумарний виробіток енергії за період роботи.
Зведені дані про сонячну інсоляцію для м. Харкова наведено у таблиці.
Розподіл сонячної радіації у м. Харків за різними джерелами
Місяці Джерело даних
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Рік
розрахунки за
наведеною методикою 46,3 71,4 113,9 162,2 200,8 210,5 214,3 202,7 169,9 119,7 59,9 32,8 1604,4
PVSYST 44° 47,9 72,5 113,8 131,8 181,6 163,6 166,9 165,5 123,3 101,1 44,1 36,1 1348,2
RETScreen 36,9 56,8 94,6 117,6 166,8 163,8 172,4 151,3 104,7 65,1 35,7 27,9 1193,6
[4], Харків 2013 17,4 32,9 54,2 133,6 188,2 200,1 172,1 143,1 67,1 48,2 21,3 13,7 1091,9
Дані, наведені у таблиці, свідчать, що у 2013 році рівень сонячної інсоляції був дещо нижчим
від середнього значення за довгостроковими дослідженнями та розрахунковими значеннями.
Висновки
Швидкий розвиток галузі ФЕП потребує приділяти більше уваги оцінці потенціалу відновлю-
вальних джерел енергії з урахуванням останніх тенденцій розвитку галузі та специфічних режимів
роботи ФЕП.
Порівняння теоретичних розрахунків з експериментальними даними (рис.4) показують доста-
тньо високу достовірність даних про річну генерацію електричної енергії, проте слід зазначити, що
розрахунки у програмі RETScreen мають чітко виражену тенденцію до згладжування перепадів у се-
зонних коливаннях. Водночас розрахункова модель показала результати, найбільш наближені до па-
раболоїдальної форми розподілу та результатів експериментального дослідження.
Рис.4. Розрахунковий та експериментальний виробіток електричної енергії ФЕС
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 1 72
Один із найпопулярніших безкоштовних програмних комплексів для оцінки рішень з впрова-
дження ВДЕ RETScreen може використовуватися на початкових етапах підготовки до прийняття рі-
шень, проте видає недостовірні дані щодо сезонних змін у роботі обладнання. Так, наприклад, відно-
сні похибки для жовтня, листопада та грудня перевищили 41%, а для січня склали 300%. Це ставить
під сумнів його використання для систем автономного енергозабезпечення та акумулювання енергії.
Результати моделювання роботи ФЕС показують, що вибір вертикального кута встановлення
ФЕП у діапазоні 30–50° не має значного впливу (менше 1,5%) на загальну генерацію електроенергії у
східній та центральній частині України і може вибиратися у межах зазначеного діапазону залежно від
технологічних, монтажних та експлуатаційних особливостей.
Література
1. Surface meteorology and Solar Energy [електронний ресурс]. – Режим доступу: https://eosweb.larc.nasa.gov.
2. Величко, С. А. Природно-ресурсне забезпечення гібридних геліо-вітроенергетичних систем (в межах рівнин-
ної території України): дис… канд. географ. наук: 11.00.11 // С. А. Величко. – Х: 2006. – 300 с.
3. Клімат України / Під ред. В. М. Ліпінського, В. А. Дячука – К.: Вид-во Раєвського, 2003. – 344 с.
4. Climatology Resource for Agroclimatology Daily Averaged Data (Evaluation Version) [електронний ресурс]. –
Режим доступу:http://power.larc.nasa.gov.
5. Повышение энергоэффективности концентраторных фотоэлектрических модулей для солнечных батарей /
В. М. Андреев, В. Д. Румянцев, Н. А. Садчиков и др. // Возобновляэвая енергетика. Пути повышения энерге-
тической и экономической эффективности REENFOR-2014: Материалы международного форума., М., 10–11
нояб. 2014 г. – М: Объединен. ин-т высоких температур РАН, 2014. – С 57–62.
Надійшла до редакції 16.02.15
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81042 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0131-2928 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:18:57Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Филенко, В.В. 2015-04-30T15:42:56Z 2015-04-30T15:42:56Z 2015 До питання визначення дійсних геліоенергетичних ресурсів / В.В. Филенко // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 1. — С. 67-72. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81042 620.92 Даны результаты моделирования фотоэлектростанций в программных комплексах RETScreen и PVSYST для условий равнинной части Украины. Проведено сравнение результатов моделирования с расчётной моделью и результатами функционирования реальной станции. Расчетная модель построена с учетом прямой и рассеянной солнечной радиации Выявлены закономерности и выдвинуты предположения по особенностям их возникновения. Представлены подходы к определению потенциала солнечной энергетики и классификация фотоэлектрических панелей на основе выделения трёх поколений фотоэлектрических преобразователей. Описано технологическую схему лабораторно-исследовательского стенда, фиксирующего параметры работы фотоэлектростанции: текущее напряжение и мощность электрического тока, продолжительность работы системы, дневную и суммарную выработку энергии. Представлены рекомендации по сферам применения программных комплексов. RETScreen 4.0 может быть успешно использован на начальных этапах подготовки к принятию решений, но дает высокую погрешность сезонных изменений солнечной инсоляции. Подано результати моделювання фотоелектростанцій у програмних комплексах RETScreen і PVSYST, їх порівняння з розрахунковою моделлю та результатами функціонування реальної станції. Наведено підходи до визначення потенціалу сонячної енергетики та класифікацію фотоелектричних панелей. Описано технологічну схему лабораторно-дослідного стенда. Зроблено рекомендації щодо сфери застосування програмних комплексів RETScreen 4.0 та PVSYST V5.56. PV-farm simulation results in software package RETScreen and PVSYST for conditions of the plain part of Ukraine are posted. The simulation results with the estimated model and the results of the operation of a real station were compared. The estimated model is built based on the direct and diffuse solar radiation. Imposed approaches to determining the potential of solar energy and photovoltaic panels classification based on the identification of three generations of photovoltaic cells. The technological scheme of laboratory research stand fixing the parameters of the photoelectric: current voltage and power electric current running time of the day and the total energy production was described. Provided recommendations for areas application software systems. RETScreen 4.0 can be successfully used in the early stages of decision-making, but gives high accuracy of seasonal changes in solar insolation. uk Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Нетрадиционная энергетика До питання визначення дійсних геліоенергетичних ресурсів On the determination of the actual solar energy resources Article published earlier |
| spellingShingle | До питання визначення дійсних геліоенергетичних ресурсів Филенко, В.В. Нетрадиционная энергетика |
| title | До питання визначення дійсних геліоенергетичних ресурсів |
| title_alt | On the determination of the actual solar energy resources |
| title_full | До питання визначення дійсних геліоенергетичних ресурсів |
| title_fullStr | До питання визначення дійсних геліоенергетичних ресурсів |
| title_full_unstemmed | До питання визначення дійсних геліоенергетичних ресурсів |
| title_short | До питання визначення дійсних геліоенергетичних ресурсів |
| title_sort | до питання визначення дійсних геліоенергетичних ресурсів |
| topic | Нетрадиционная энергетика |
| topic_facet | Нетрадиционная энергетика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81042 |
| work_keys_str_mv | AT filenkovv dopitannâviznačennâdíisnihgelíoenergetičnihresursív AT filenkovv onthedeterminationoftheactualsolarenergyresources |