Исследование основных режимов работы и элементов конструкции фотоэлектрических систем для построения микромощной солнечной электростанции

Abstract

Актуальность. Изменения геополитики и конъюнктуры мировых энергетических рынков всё больше и больше оказывают влияние на мировую экономику, вынуждая не только совершенствовать энергетические технологии, но и определять приоритеты государства в области энергетической политики. Такими приоритетами являются увеличение генерации от новых видов возобновляемых источников энергии и быстрое развитие соответствующих технологий, которые, в свою очередь, обеспечивают удешевление производств. Вместе с этим известно, что повысить надежность энергосистемы и одновременно увеличить производство электроэнергии можно за счет распределённой энергетики, основой которой является, в том числе, и микрогенерация от солнечных электростанций. В этой связи необходимы дополнительные исследования по адаптации существующих методик расчета фотоэлектрических систем к их использованию при разработке и построении маломощных солнечных электростанций. Актуальность обусловлена еще и тем, что необходимо создать максимально эффективную и недорогую систему преобразования солнечной энергии в электрическую, которая бы соответствовала любым заданным техническим требованиям, была надежной и простой в эксплуатации. Цель: разработать эффективную фотоэлектрическую систему и создать недорогую микромощную солнечную электростанцию с заранее заданными параметрами и техническими характеристиками для дальнейших экспериментальных исследований. Методы. При выполнении расчетов и исследовании основных режимов работы и элементов конструкции фотоэлектрических систем использовались результаты многочисленных научных исследований, в том числе и прикладных, и имеющийся на сегодняшний день опыт в области солнечной энергетики, который был получен при выполнении некоторых теоретических и экспериментальных работ. При разработке и моделировании электронных схем использовались многофункциональные системы DipTrace и EasyEDA. Результаты. Обоснована целесообразность применения более простых методик определения вероятной или фактической инсоляции с использованием программного обеспечения PVsyst, и погрешностью расчетов за один год не более 10 %. Разработаны: 1) технология для экспериментального производства фотоэлектрических модулей заданных геометрических размеров и номинальной мощности; 2) надежная за счет актуаторов система управления двухосным солнечным трекером, повышающая эффективность фотоэлектрических систем в широтах Западной и Юго-Западной Сибири; 3) структурная схема управления микромощной солнечной электростанцией; 4) электронные схемы солнечного контроллера MPPT, преобразователя DC-DC, инвертора DC-AC и главного управляющего блока на основе микроконтроллера ATmega326.

The relevance. Changes in geopolitics and conjuncture of the world energy markets, impact more and more the world economy, forcing not only to improve energy technologies, but also to determine the priorities of the state in the field of energy policy. One of these priorities is to increase generation from new types of renewable energy sources and rapid development of appropriate technologies, which, in their turn, provide cheaper production. At the same time, it is known that it is possible to increase the reliability of the power system and at the same time to increase the production of electricity at the expense of distributed energy, the basis of which is microgeneration from solar power plants. In this regard, additional research is needed to adapt the existing methods of calculation of photovoltaic systems to their use in development and construction of low-power solar power plants. The relevance is also caused by the fact that it is necessary to create the most effective and inexpensive system for converting solar energy into electrical energy, which would meet any given technical requirements, would be reliable and easy to operate. The main aim of the research is to develop an effective photovoltaic system and design an inexpensive microelectric solar power plant with specified parameters and technical characteristics for further experimental studies. The methods. When calculating and studying the main operation modes and structural elements of photovoltaic systems, the authors have used the results of numerous scientific studies, including applied research, and available experience in the field of solar energy, which was obtained in the performance of some theoretical and experimental work. DipTrace and EasyEDA systems were used in development and modeling of electronic circuits. The results. The authors substantiate the expediency of application of more simple methods to determine the probable or actual exposure with the use of the software PVsyst, with an error of no more than 10 %. They developed the technology for experimental production of photovoltaic modules of given geometric dimensions and nominal power and the reliable control system for a biaxial solar tracker due to the actuators, which increases the efficiency of photovoltaic systems in the latitudes of Western and South-Western Siberia. A block diagram for controling a micro-power solar power plant and electronic circuits of the MPPT solar controller, DC-DC Converter, DC-AC inverter, and the main control unit based on the ATmega326 microcontroller were designed.