УДК 620.9

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Яковлева Эмилия Владимировна
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
кандидат технических наук, ассистент кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики

Аннотация
Данная статья посвящена анализу параметров солнечного излучения, продолжительности сияния, угле склонения Солнца. Целью исследования является решение вопроса целесообразности применения фотоэлектрических элементов в составе электротехнического комплекса для электроснабжения автономных потребителей малой мощности на примере геологоразведочной экспедиции.

Ключевые слова: автономный потребитель, возобновляемые источники энергии, продолжительность сияния Солнца, фотоэлектрический элемент, энергоснабжение


RESEARCH OF PARAMETERS OF SOLAR RADIATION TO EVALUATE THE EFFECTIVENESS OF THE APPLICATION OF PHOTOVOLTAIC ELEMENTS OF ELECTRO-TECHNICAL COMPLEX FOR POWER SUPPLY OF OFF-GRID LOADS

Iakovleva Emiliia Vladimirovna
National mineral resources university (University of Mines)
PhD in technical science, assistant of the Electric Engineering, Electrical Energetics and Electromechanics Department

Abstract
This article is devoted to the analysis of parameters of solar irradiation, radiance duration, and solar declination. The aim of the research is the issue of the reasonability use of photovoltaic cells in the structure of electro-technical complex for power supply of off-grid loads of low power on the example geological prospecting expedition.

Keywords: energy supply, off-grid load, photovoltaic elements, radiance duration, renewable energy


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Яковлева Э.В. Исследование параметров солнечного излучения для оценки эффективности применения фотоэлектрических элементов в составе электротехнического комплекса для электроснабжения автономных потребителей // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 5. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/05/34960 (дата обращения: 05.06.2017).

На сегодняшний день уровень развития технологии производства солнечных фотоэлектрических элементов прямого преобразования позволяет использовать солнечное излучение как источник электрической энергии на объектах удаленных от централизованных линий электропередач [1, с.23].
За последние несколько лет КПД фотоэлектрических модулей (ФЭМ) возрос с 14% до 22%. Этот факт свидетельствует о дальнейшем улучшении параметров ФЭМ. Кроме того, уже сегодня существуют лабораторные образцы солнечных элементов, способных улавливать излучение разного спектра, благодаря чему КПД таких установок достигает 50%. Поэтому для условий автономной работы объектов малой мощности, как например геологоразведочных экспедиций, рабочих поселков, пунктов связи целесообразно использовать монокристаллические кремниевые фотоэлементы с КПД 21,2%.
Для элементов с заданным КПД, технический валовый потенциал на территории России составляет минимум 112 кВт·ч/м2 и максимум 210 кВт·ч/м2, среднее значении достигает 170 кВт·ч/м2. При расчете фотоэлектрической станции необходимо учитывать следующие параметры:
- угол между нормалью к плоскости батареи и направлением на Солнце;
- продолжительность светового дня и другие факторы, характеризующие параметры солнечного излучения на территории объекта.
Угол Г между направлением на Солнце и нормалью к плоскости ФЭМ рассчитывается следующим образом [2, с.234]:
(1)
(2)
где угол определяется по формуле (2).
(3)
(4)
Где угол А определяется по формуле (4)

Рисунок 1 – Угол падения солнечного излучения на ФЭМ. 1,2,3 – направление падения солнечных лучей при равноденствии, летом и зимой соответственно; а,б,в – вариации угла наклона ФЭМ при равноденствии, зимой и летом соответственно; Г – угол между направлением на Солнце и нормалью к плоскости ФЭМ.

В данной статье будет проведено исследование изменения траектории движения Солнца, угла Г. При этом, так как эти показатели не зависят от координаты долготы, было рассмотрено только 6 координат и подробно представлен анализ автономного объекта в Забайкалье (51º северной широты и 115º восточной долготы). В таблице 1 представлены усредненные показатели, характерные для каждого региона.

Таблица 1 – Показатели солнечного сияния
Широта, градусы Продолжительность сияния, час
Зимний период Летний период
43
9
15
50
8
16
55
7
17
60
5
18,5
65
3
21
79
0
24

Согласно таблице, можно сделать вывод о том, что применение ФЭМ возможно не только в регионах, которые располагаются на широтах близких к Экватору. При этом, следует отметить, что регионы, лежащие севернее, обладают продолжительным временем, когда Солнце находится выше горизонта, в летний период. Представленные факты еще раз подтверждает эффективность использования данного энергоресурса. 
Далее необходимо определить оптимальный угол наклона ФЭМ, пользуясь данными приходящего на территорию объекта солнечного излучения. В таблице 2 приведены значения солнечного излучения в заданных координатах [3].

Таблица 2 –Значение солнечного излучения поступающего на 1м2 горизонтальной поверхности на 51º северной широты и 115º восточной долготы.
Месяц Инсоляция, кВт/м2 в день
Январь
1,41
Февраль
2,54
Март
4,04
Апрель
5,08
Май
5,81
Июнь
5,97
Июль
5,23
Август
4,58
Сентябрь
3,72
Октябрь
2,55
Ноябрь
1,55
Декабрь
1,09
Среднегодовое
3,63

Так как рассматриваемым объектом, является Уронайская геологоразведочная экспедиция, для которой характерной особенностью является сезонность – работы ведутся в период с апреля по ноябрь, то рассматривается применения ФЭМ только в этом промежутке. Для нахождения оптимального угла наклона ФЭМ берется месяц с минимальным значением солнечного излучения. Для условий геологоразведочной экспедиции это ноябрь месяц, и значения солнечного излучения составляет 1,55 кВт/м2 в день для горизонтальной поверхность площадью 1 м2, расположенной перпендикулярно солнечным лучам. В этом месяце значение склонения Солнца согласно аналемме [4] составляет от -15º до -22º.
Методика определения угла наклона ФЭМ – как сумма географической широты и 15 градусами. Для летнего периода берется разность широты и 15 градусов. Значение угла составит 70 градусов для зимы и 30 градусов для лета.
По приведенным выше формулам, находим угол Г между направлением на Солнце и нормалью к плоскости ФЭМ. Для ноября и июня месяца значение склонения солнца согласно[4] равно -20º и 22º соответственно. В таблице 3 представлены значения угла Г в течение светового дня, с шагом в 60 минут. Продолжительность светового дня в ноябре составляет 9 часов, в июне 16 часов.

Таблица 3 – Расчеты для угла Г
δ = -20º
Sin ψ Cos A Cos Г Г
0,03 -0,581 0,542 31,0
0,152 -0,74 0,73 41,8
0,246 -0,875 0,875 50,1
0,305 -0,967 0,956 55,3
0,326 -1 0,996 57,0
0,305 -0,967 0,965 55,3
0,246 -0,875 0,875 50,1
0,152 -0,74 0,73 41,8
0,03 -0,581 0,542 31,0
δ = 22º
0 0.596 -0.545 -31.212
0.14 0.426 -0.329 -18.836
0.291 0.246 -0.097 -5.555
0.442 0.055 0.135 7.726
0.583 -0.153 0.351 20.102
0.704 -0.385 0.536 30.729
0.796 -0.642 0.679 38.884
0.855 -0.887 0.768 44.01
0.875 -1 0.799 45.758
0.855 -0.887 0.768 44.01
0.796 -0.642 0.679 38.884
0.704 -0.385 0.536 30.729
0.583 -0.153 0.351 20.102
0.442 0.055 0.135 7.726
0.291 0.246 -0.097 -5.555
0.14 0.426 -0.329 -18.836
0 0.596 -0.545 -31.212


Рисунок 2 – Графики продолжительности светового дня для июня месяца и угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости ФЭМ

По полученным данным Cos Г можно рассчитать S’ эффективную плотность солнечного излучения. Для рассматриваемого объекта она в среднем равна 1,82 кВт/м2. Эта величина получена умножением среднего значения инсоляции на территории Уронайской геологоразведочной партии на среднее значение Cos Г.


Библиографический список
  1. Тарнижевский, Б.В. Перспективы использования возобновляемых источников энергии в России // Горный журнал, специальный выпуск, 2004, С. 22-25.
  2. Кононович Э.В., Мороз В.И., Общий курс астрономии: учебное пособие/ под редакцией В.В. Иванова // Изд. 2-е, испр., М., Едиториал УРСС, 2004. 544с.
  3. NASA Surface meteorology and Solar Energy: Data Subset //AtmosphericScienceDataCenter[электронный ресурс]. URL: http://eosweb.larc.nasa.gov.(дата обращения: 15.10.2013)
  4. Титаренко В.П. [Электронный ресурс]: учебное пособие, Томский государственный университет, Томск 2006. URL: http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/astronomy/uchpos/ (дата обращения: 14.09.2013)


Все статьи автора «Яковлева Эмилия Владимировна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: