К вопросу об использовании фотоэлектрических преобразователей в теплицах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

К вопросу об использовании фотоэлектрических преобразователей в теплицах

Воронин С.М., Лохманов А.В., Таран А.А., Козликин И.Н.

Азово-Черноморский инженерный институт-филиал

Донского ГАУ в г. Зернограде

Аннотация

В настоящее время добыча и использование традиционных источников энергии в мире имеет ряд серьезных проблем, в том числе экономических и экологических. Возобновляемые источники энергии позволят частично решить эти проблемы. Одним из них является солнечное излучение, преобразование которого в другие виды энергии также имеет ряд проблем. В статье рассмотрены пути повышения эффективности преобразования солнечной энергии в электроэнергию путем обеспечения охлаждения фотоэлектрических преобразователей в летнее время.

Ключевые слова: КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ, СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, КПД ФЭП, ОХЛАЖДЕНИЕ ФЭП

Светокультура растений находит все большее распространение в производстве сельскохозяйственных культур для досвечивания рассады овощных культур и при выращивании растений при полном искусственном освещении в сооружениях защищенного грунта. Для нормального прохождения любых фитобиологических процессов, фотосинтеза, в частности, растениям нужен свет определенного спектрального состава и мощности [1] Последние достижения в области светодиодных источников света позволяют использовать их для досвечивания растений в теплицах, а их малая мощность расширяет возможности применения фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) в качестве источника электроэнергии [2, 3].

Однако некоторые проблемы применения ФЭП все же остаются. Применительно к тепличному хозяйству трудности возникают при использовании фотоэлектрических преобразователей с ранней весны до поздней осени. Это обусловлено тем, что при расчете фотоэлектрической станции на весеннюю или осеннюю освещенность батареи ФЭП в летнее время попадают под повышенный поток солнечной радиации, что снижает их КПД, а в некоторых случаях может привести и к выходу из строя [4-6].

Чтобы избежать этого, приходится затенять их в летнее время шторками или другим путем выводить из-под прямого попадания солнечных лучей. Естественно, при этом дорогостоящие фотоэлектрические преобразователи используются не полностью, что снижает эффективность работы всей системы электроснабжения.

Нами предлагается понижать температуру фотоэлектрических преобразователей в сезон сильного прямого солнечного облучения путем отвода теплоты. В случае успешного решения это позволит не только сохранить КПД фотоэлектрических преобразователей на проектном уровне, но и использовать отведенную теплоту на технологические нужды в теплице, то есть получить дополнительный положительный эффект [1, 7, 8]. Для реализации предлагаемого решения предлагается формировать фотоэлектрические станции по следующей методике.

Исходя из требуемого уровня освещенности растений на разных стадиях их выращивания, определяется уровень дополнительного освещения для всех месяцев возделывания тепличных культур. При этом учитывается естественная освещенность, то есть продолжительность солнечного сияния и интенсивность солнечного излучения [1, 9, 10]. Дополнительный уровень освещенности определяется по формуле:

(1)

где: Е_Д - энергия, затрачиваемая на дополнительное освещение, Вт.ч;

Р_Н - мощность излучения при нормативной освещенности, Вт;

Р_Е - мощность естественного облучения, Вт;

ф₁, ф₁ - начальное и конечное время (дата) расчетного периода, ч.

Мощность излучения при нормативной освещенности определяется, исходя из требуемого уровня облучения и не представляет сложности. Мощность естественного облучения пропорциональна интенсивности солнечного излучения и может быть определена по формуле [10]:

(2)

где: - мощность естественного облучения в j-й период, Вт;

- интенсивность солнечного излучения в j-й период, Вт/м²;

- площадь под растениями, м²;

- коэффициент пропускания поверхности теплицы.

Применение равенства (2) возможно и правомочно, так как энергетические характеристики фотоэлектрической станции на ФЭП определяются для худших условий. В соответствии с этим, j-тый период - это период, для которого потребуется максимальная дополнительная энергия для досвечивания. Так как растения должны получать дозу облучения, среднюю за достаточно большой период (например, за месяц), то для расчета мощности естественного освещения можно пользоваться средними значениями интенсивности солнечного излучения, которые приводятся в метеорологических справочниках.

Таким образом, имея нормы освещенности и средние значения интенсивности солнечного излучения, можно определить необходимую энергию на досвечивание в самый неэффективный период. При этом, учитывая форму представления метеорологических данных об интенсивности солнечного излучения периодически с периодом три часа [10], можно от интегрирования перейти к дискретному суммированию.

(3)

где: Е_Д - энергия, затрачиваемая на дополнительное освещение, Вт.ч;

Р_Нj - мощность излучения при нормативной освещенности в j-тый период, Вт;

N_СИj - интенсивность солнечного излучения в j-й период на горизонтальную площадку, Вт/м²;

в - угол наклона батареи ФЭП.

В соответствии с поставленной задачей эта энергия должна покрываться фотоэлектрической станцией:

(4)

где: Е_Д - энергия, затрачиваемая на дополнительное освещение, Вт.ч;

N_СЭС - мощность солнечной электростанции, Вт;

Дф_j - продолжительность j-го периода, ч.

Мощность фотоэлектрической станции пропорциональна площади ФЭП и интенсивности солнечного излучения [1, 11].

(5)

фотоэлектрический преобразователь солнечная энергия

где: N_СЭС - мощность солнечной электростанции, Вт;

N_СИj - интенсивность солнечного излучения в j-й период, Вт/м²;

F_ФЭП - площадь фотоэлектрических преобразователей, м²;

з_ФЭП - КПД фотоэлектрических преобразователей.

Здесь следует отметить, что при расчете мощности фотоэлектрической станции нельзя пользоваться усредненными значениями интенсивности солнечного излучения, так как при уменьшении интенсивности мощность ФЭП уменьшается пропорционально, а при увеличении интенсивности мощность ФЭП увеличивается уже не пропорционально, а при достижении определенного уровня интенсивности вообще перестает расти. В этом случае для определения мощности фотоэлектрической станции следует пользоваться гарантированными значениями интенсивности солнечного излучения.

Так как солнечное излучение является случайной величиной, то более корректно говорить об интенсивности солнечного излучения, гарантированного с какой-то заранее заданной вероятностью. Такая вероятность интенсивности солнечного излучения соответствует вероятности попадания случайной величины в заданный интервал и может быть определена следующим образом [5]:

, (6)

где: P(N_X?N?N_max) - вероятность того, что интенсивность солнечного излучения будет находиться в интервале N_X...N_max;

N_X - гарантированная интенсивность солнечного излучения, Вт/м²;

N_max - максимально возможная интенсивность солнечного излучения в данной местности, Вт/м².

Если интенсивность солнечного излучения распределена по нормальному закону, что имеет место на территории России практически с достаточной энергией солнечного излучения, то искомую вероятность можно определить, используя функцию Лапласа [1]:

, (7)

где: - математическое ожидание интенсивности солнечного излучения (данные метеостанций), Вт/м²;

у_С - стандартное отклонение интенсивности солнечного излучения, Вт/м².

На рис. 1 в качестве примера реализации формулы (7) приведены графики интенсивности солнечного излучения, гарантированные с вероятностью 0,95, полученные по результатам экспериментов, проведенных авторами на территории Ростовской области.

Рис. 1. Графики интенсивности солнечного излучения, гарантированной с вероятностью 0,95 (июнь 2016 года)

Как следует из приведенного примера, использование только ФЭП не сможет обеспечить требуемую продолжительность необходимого досвечивания даже в летние месяцы. Это вынуждает применять аккумулирование электроэнергии с последующим ее использованием в периоды отсутствия и недостаточной интенсивности солнечного излучения. Емкость аккумуляторов при использовании избыточной солнечной энергии в полуденные часы можно определить из нестрогого неравенства

где: С - емкость аккумуляторных батарей, А•ч;

Р_Н - мощность излучения при нормативной освещенности в j-тый период, Вт;

U_н - номинальное напряжение, В.

где ?T - период отсутствия достаточной интенсивности солнечного излучения.

Нагрев ФЭП прямо зависит от интенсивности солнечного излучения, которая является функцией времени. Таким образом, следует учитывать, что КПД фотоэлектрических преобразователей не постоянен и является функцией времени или температуры. Такую зависимость не представляется возможным получить аналитически, поэтому предлагается использовать экспериментальные данные, аппроксимируемые уравнениями регрессии вида:

з_ФЭП = а₀ + а₁Т + а₂Т² + … (10)

где: а_j - коэффициенты регрессии;

Т - температура ФЭП, К.

При увеличении температуры и снижении КПД фотоэлектрических преобразователей следует отводить тепло от батареи ФЭП. Отводимое тепло определяется типом теплообменника и может быть определено по известным методикам. В частности, при отводе теплоты жидкостным радиатором отводимая теплота определяется следующим образом:

где: с - теплоемкость теплоносителя, Дж/кг•К;

m - масса теплоносителя, кг;

Т_Ф, Т_н - фактическая и нормальная температура ФЭП, К.

Если в качестве теплоносителя применяется вода, то она может смешиваться с водой, предназначенной для полива, для ее нагрева. Избыточная энергия, полученная от ФЭП в летнее время, может использоваться для электроснабжения других потребителей (не осветительных приборов), в том числе и потребителей электроэнергии соседних с теплицей сооружений. Все это позволит повысить эффективность автономных фотоэлектрических станций для теплиц.

Список использованных источников

1. Лохманов А.В., Таран А.А. Использование различных источников света в сооружениях защищенного грунта //Eastern European Scientfic Jornal, Ausgabe 3-2016. - Стр. 113-119.

2. Амерханов Р.А. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии. - М.: Колос-Пресс. - 2003. - 532 с.

3. Воронин С.М. Возобновляемые источники энергии в автономных системах энергоснабжения сельских объектов. - Зерноград: АЧГАА. - 2005. -118 с.

4. Бобрович И.В., Дармидонтов А.А., Евдокимов В.М. и др. Температурные характеристики и работоспособность фотопреобразователей при сильном освещении // Солнечная фотоэлектрическая энергетика. - Ашхабад. - 1983. - С. 25-31.

5. Воронин С. М. Проблемы применения возобновляемых источников энергии в сельском хозяйстве // Совершенствование технологических процессов, машин и аппаратов в инженерной сфере АПК: Материалы науч. конф. - Зерноград. - 1999. - С. 84-86.

6. Воронин С.М., Цыганов В.В. Актуальные задачи автономного применения солнечных электростанций // Материалы 11-й международной научно-практической конференции, «Achievementofhighschool». Том 14. Технологии. Математика. Физика. Современные информационные технологии. - 2015, №4. -C. 38-41.

7. Power Systems. Modelling and Control Application // Selected Papers from the SFAC Symp. - Brussels, Belgium, 5-8 Sept., IFAC Proceeding Series. - 1999, N9. - Р. 25-33.

8. Воронин С.М., Пятикопов С.М., Пименов Е.П., Дутова А.В. К обоснованию концентраторов для автономных солнечных электростанций // АгроЭкоИнфо. - 2017, №2. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2017/2/st_225.doc.

9. Алиев Р.К., Муругов В.П., Стребков Д.С. Фотоэнергетика сельского хозяйства // Техника в сельском хозяйстве. - 1988, №1. - С. 5-7.

10. Центр обработки данных NASA, «Метеорология и солнечная энергетика», июнь 2014. [Online]. Доступно на: https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/global.cgi?email=skip@larc.nasa.gov. [Доступ Июнь 23, 2014].

11. Воронин С.М., Жогалев А.П., Цыганов В.В. Обоснование площади батареи фотоэлектрических преобразователей для автономной электростанции // АгроЭкоИнфо. - 2017, №1. http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2017/1/st_113.doc.

Размещено на Allbest.ru