Использование солнечных фотоэлектрических станций для автономных систем электроснабжения крестьянско-фермерских хозяйств

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ ДЛЯ автономнЫХ СИСТЕМ электроснабжения крестьянско-фермерскИХ хозяйств

Чебодаев А.В., Бастрон А.В., Урсегов В.Н.,

Дебрин А.С., Смелова С.А.

Россия, г. Красноярск, Красноярский ГАУ

Аннотация

В статье представлены методика и результаты расчета параметров ФЭС для автономных сельскохозяйственных потребителей Красноярского края. Приведены результаты экспериментальных исследований ФЭС для автономных систем электроснабжения крестьянско-фермерских хозяйств.

Ключевые слова: крестьянско-фермерское хозяйство, автономные сельскохозяйственные потребители, фотоэлектрическая станция.

Annotation

The USE of SOLAR PHOTOVOLTAIC power supply systems for autonomous STATIONS peasant farms

Tchebodaev A.V., Bastron A.V., Ursegov V.N., Debrin A.S., Smelova S.A.

Russia, Krasnoyarsk, Krasnoyarsk State Agrarian University

The article presents the methods and results of photovoltaic power systems parameters calculation for autonomous agricultural consumers of Krasnoyarsk region. There are results of experimental research of photovoltaic power systems for autonomous systems of electric power supply peasant farms in article.

Keywords: peasant-farming, autonomous agricultural consumers, photovoltaic station.

Основная часть

фотоэлектрический солнечный электроснабжение крестьянский

На территории Красноярского края существуют крестьянско-фермерские хозяйства (КФХ) разных направлений деятельности, не подключенные к единой энергетической системе (ЕЭС). Часто земельные участки, выделяемые администрациями районов под создание КФХ, находятся на значительном удалении от возможных мест присоединения к энергосистеме. В связи с этим, перед фермерами встает проблема электроснабжения своего хозяйства: либо возводить дорогостоящую воздушную линию электропередачи для подключения к ЕЭС (эти затраты обычно ложатся на плечи потребителя электрической энергии), либо создать собственную автономную систему электроснабжения [1].

Цель работы - обосновать конструктивные параметры и экспериментально исследовать режимы работы солнечных фотоэлектрических станций для автономных систем электроснабжения КФХ разных направлений деятельности в климатических условиях Красноярского края.

Теория

КФХ, встречающиеся на территории Красноярского края, довольно разнообразны как по роду деятельности, так и по своим размерам, соответственно они имеют значительные различия по энерговооруженности и количеству потребляемой электрической энергии [1, 2, 3]. Например, небольшой кочевой пасеке, работающей в основном в летний период, достаточно минимального количества электроприборов установленной мощностью в несколько сотен или даже десятков Ватт, при суточном электропотреблении до 1 кВт·ч [2]. Могут встречаться и довольно крупные хозяйства, занимающиеся молочным животноводством. Таким хозяйствам необходима минимальная мощность порядка 10 кВт при суточном энергопотреблении в 25 - 60 кВт·ч в течение всего года.

Для того, чтобы отступить от размеров КФХ и не рассматривать множество возможных вариантов, зададимся условной мощностью ФЭС равной 1 кВт, выполним расчет выработки электрической энергии для различных районов Красноярского края и оценим обеспеченность электрической энергией КФХ с различным суточным энергопотреблением равным 1,5; 3,0; 4,5 и 6,0 кВт•ч в течение года.

Расчет выработки электрической энергии ФЭС производился на основе данных многолетних наблюдений по продолжительности солнечного сияния [4, 5, 6], в разработанных электронных таблицах в «Microsoft Excel», позволяющих рассчитать количество произведенной электрической энергии по месяцам от интересующей ФЭС. Расчет выработки производится в зависимости от продолжительности солнечного сияния (таблица 1), и с учетом возможного количество дней без солнца (таблица 2), при которых АБ ФЭС должны обеспечивать питание нагрузки без подзарядок от ФЭМ [7].

Выработка электрической энергии от ФЭУ за расчетный период определяется по следующей методике [7].

Таблица 1

Продолжительность солнечного сияния Е_сол, ч, по метеорологичекским станциям Красноярского края

Таблица 2

Число дней без солнца по метеоорологическим станциям Красноярского края

Количество произведенной электроэнергии одним модулем за сутки:

, (1)

где W_{мод.сут} - выработка электроэнергии одним модулем за сутки, Вт;

К_р - коэффициент использования пиковой мощности фотоэлектрического модуля, для ФЭС присоединенной к энергосистеме, К_р = 0,7 - 0,9 о.е., для автономной ФЭС К_р = 0,5-0,7 о.е.;

Т_{сол.сут} - количество пиковых солнце часов, ч;

Р_пик - пиковая мощность единичного модуля, Вт.

Количество пиковых солнце часов определяется по формуле:

^, (2)

где t_срj - средняя продолжительность солнечного сияния в j-ом месяце, ч.;

n_j - количество дней в j-ом месяце, шт.;

К_n.CC - коэффициент, учитывающий неравномерность солнечного сияния, о.е.

Количество произведенной за j-й месяц фотоэлектрической установкой электроэнергии, кВт•ч

^, (3)

где W_j - выработка электроэнергии ФЭУ за j-й месяц, Вт;

W_{мод.сут} - выработка электроэнергии одним модулем за сутки, Вт;

n_j - количество дней в j-ом месяце, шт;

n_ФЭМ - общее количество модулей, шт.

Результаты расчетов

При расчете выработки электрической энергии ФЭМ принимались следующие значения коэффициентов. Коэффициент использования пиковой мощности ФЭС К_р = 0,7; номинальная пиковая мощность ФЭМ Р_пик = 100 Вт; коэффициент, учитывающий неравномерность солнечного сияния К_n.CC = 1; общее количество фотоэлектрических модулей n_ФЭМ = 10 шт (включены параллельно).

Результаты расчётов выработки электрической энергии от одного ФЭМ и от ФЭС по месяцам в течении года, а также минимально необходимое энергопотребление КФХ на технологические процессы сведены в таблицу 3.

Таблица 3

Результаты расчетов выработки электрической энергии ФЭС в городе Красноярск Красноярского края

Анализируя расчетные характеристики выработки ЭЭ от ФЭС в условиях города Красноярск (рисунок 1), можно сделать следующие выводы:

- выработка ЭЭ в течение года неравномерная и изменяется в широком диапазоне от 23,1 кВт•ч в декабре до 194,6 кВт•ч в июне, что от минимального до максимального значения отличается в 8,39 раза;

- с февраля по октябрь можно гарантированно обеспечить КФХ электрической энергией с уровнем электропотребления до 1,5 кВт•ч в сутки;

- с марта по сентябрь потребление может быть увеличено в 2 раза и составлять не менее 3 кВт•ч в сутки;

- с апреля по август можно уверенно снабжать электрической энергией КФС с уровнем энергопотребления 4,5 кВт•ч в сутки.

- в июне и июле возможно максимальное энергопотребление в 6 кВт•ч в сутки.

Рисунок 1 Выработка и потребление электрической энергии ФЭС мощностью 1 кВт в условиях города Красноярск (станция 52) в течение года

Анализируя расчетные характеристики выработки ЭЭ от ФЭС в условиях села Нижне-Усинское Ермаковского района Красноярского края (рисунок 2), можно сделать следующие выводы:

Рисунок 2 Выработка и потребление электрической энергии ФЭС мощностью 1 кВт в условиях села Нижне-Усинское (Станция 68) в течение года

- выработка ЭЭ в течение года неравномерная и изменяется в меньшем диапазоне от 58,8 кВт•ч в декабре до 181,3 кВт•ч в мае, что от минимального до максимального значения отличается в 3,08 раза;

- ФЭС мощностью 1 кВт способна обеспечить КФХ электрической энергией с уровнем электропотребления до 1,5 кВт•ч в сутки в течение всего года;

- с февраля по октябрь данная ФЭС способна обеспечить КФХ электрической энергией с уровнем электропотребления до 3 кВт•ч в сутки;

- с марта по август можно уверенно снабжать электрической энергией КФС с уровнем энергопотребления 4,5 кВт•ч в сутки.

- в июне и июле возможно максимальное энергопотребление около 6 кВт•ч в сутки.

Методика проведения эксперимента

Для проведения эксперимента использовались два фотоэлектрических модуля (ФЭМ) типа TSM-30 (P=30 Вт) и TSM-40 (P=40 Вт); контроллер заряда-разряда аккумуляторной батареи типа PWM- 10 (10 А, 12 В); AGM аккумулятор Deka SEA MATE & RV (ёмкостью 79 A^.ч); автомобильный инвертор (P = 300 Вт); измерения текущих значений напряжения, тока, мощности и электрической энергии производилось с помощью мультиметров типа «GT Power 150A»; измерения поступления солнечной радиации производились пиранометром KIMO SL 100 (рисунок 3). В качестве нагрузки выступал ноутбук (Р_ср = 30 Вт), две светодиодные лампы (Р_л = 5 Вт).

Рисунок 3 Принципиальная схема экспериментальной ФЭС: A1 - пиранометр; A2 - контроллер заряда аккумулятора; А3 - инвертор; E - солнечный модуль; GB - аккумулятор; PW1, PW2, PW3 - мультиметр; SA1, SA2 - выключатель

При проведении эксперимента ФЭМ ориентировались строго на юг, под углом 90^о к солнцу в 13:00. Испытания проводились в марте месяце. Уровень заряда аккумулятора поддерживался в диапазоне 60 - 80%. Для сравнения вариантов выработка ЭЭ 70 Вт ФЭС пересчитывалась пропорционально на 1 кВт ФЭС.

Проведенные испытания ФЭС в условиях города Красноярск подтвердили результаты расчетов (рисунок 4). На рисунке представлены типичные кривые выработки ЭЭ для марта месяца соответствующие пасмурным дням, дням с переменной облачностью и ясным дням. При этом суточная выработка ЭЭ составила от 1,35 кВт•ч (пасмурный день) до 4,74 кВт•ч (ясный день), что соответствует расчетам.

Выводы

1. Для работы энергообеспечения пасеки, занимающейся сбором пчелиного яда, расположенной на широте города Красноярск, при суточном энергопотреблении в 0,45 кВт•ч достаточно ФЭС состоящей из одного ФЭМ мощностью 100 Вт, при этом запасенной в аккумуляторной батарее энергии будет достаточно для работы апитоксин-коллектора в течение от 4,5 до 15 часов, в зависимости от выбранной мощности работы апитоксин-коллектора [6].

2. Для электроснабжения страусиной фермы [1] с минимальным суточным энергопотреблением 10,8 кВт•ч в течение всего года необходимо порядка 80 ФЭМ мощностью 100 Вт. Для обеспечения надежного электроснабжения в зимний период необходимо предусмотреть резервный источник питания, например бензиновую электростанцию мощностью 3 - 5 кВт.

3. Капиталовложения в ФЭС будут сильно различаться в зависимости от уровня энергообеспеченности и сезонности использования данной ФЭС, соответственно себестоимость произведенной электрической энергии также будет сильно разниться. Наибольший экономический эффект будет наблюдаться с весны до осени, в виду большей выработки энергии.

Рисунок 4 Часовая выработка ЭЭ ФЭС в течение суток приведенная к мощности ФЭС равной 1 кВт

Список литературы

1. Дубов В.А., Чебодаев А.В. Оценка эффективности использования ФЭС для автономного электроснабжения крестьянско-фермерского хозяйства // Научно-практический журнал «Вестник ИрГСХА», 2015, № 68. С. 89 - 94.

2. Урсегов В.Н., Бастрон А.В., Андрюхов С.К. Разработка и испытание автономного устройства для добычи яда пчел // Научно-практический журнал «Вестник ИрГСХА», 2014, № 65. С. 96-101.

3. Бастрон А.В., Гайдаш Г.В. Эффективное использование солнечной энергии в системах тепло- и электроснабжения сельских усадебных домов и ЛПХ // Научно-практический журнал «Вестник ИрГСХА», 2015, № 67. С. 92-100.

4. Попель О.С., Фрид С.Е. и др. Распределение ресурсов энергии солнечного излучения по территории России // Энергия: экономика, техника, экология. 2007. №7. С. 15.

5. Швер, Ц.А. Климат Красноярска [Текст] / Ц.А. Швер ; под. общ. ред. А.С. Герасимовой. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 231 с.

6. NASA Surface meteorology and Solar Energy-Location. ATMOSPHERIC SCIENCE: [Электронный ресурс]: Матер. сайта URL: https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi?email=skip@larc.nasa.gov (Дата обращения: 02.03.2016 г.).

7. Ваш солнечный дом: [Электронный ресурс]: Матер. сайта URL: http://www.solarhome.ru (Дата обращения 16.03.2016 г.).

Размещено на Allbest.ru