Особенности прогнозирования выработки электроэнергии солнечными электростанциями

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Появление солнечных электростанций (СЭС) в энергосистеме приводит к появлению дополнительного источника неопределенности, поскольку появляется необходимость учитывать вероятностный характер и нагрузки, и генерации. Соблюдение баланса производимой и потребляемой электроэнергии необходимо как для поддержания частоты в энергосистеме на номинальном уровне, так и для обеспечения экономичной работы других генерирующих установок, а также возможности осуществления торгов на рынке электроэнергии и мощности. Высокий процент установленной мощности солнечных электростанций неизбежно приведет к усилению влияния фактора неопределенности выдаваемой СЭС мощности на работу электрической сети. Резерв, создаваемый для покрытия этой неопределенности, должен быть как можно меньше для получения максимальной выгоды от ввода в эксплуатацию СЭС. Специфика решаемой задачи часто связана с ограниченностью и неопределённостью исходной информации в части ретроспективных данных, в связи с этим наиболее целесообразным является использование комбинированной физико-статистической модели. Физическая часть модели описывает связь между географическим положением, погодными условиями, солнечным излучением и выработкой электроэнергии на СЭС. Входные данные включают численный прогноз погоды (ЧПП), локальные метеорологические измерения, данные о рельефе и типе земной поверхности. Физический подход в некоторых случаях не всегда оправдан ввиду сложности или невозможности точного учета тех или иных факторов, что требует введения статистического подхода для их определения. Оптимальная точность комбинированных моделей достигается путем коррекции коэффициентов статистических моделей с учетом постоянно меняющихся условий, описываемых физическими моделями.

Определение плотности потока солнечного излучения.

Расчет солнечного излучения, падающего на поверхность фотоэлектрической панели и участвующего в выработке электроэнергии, можно разбить на три основных этапа.

Солнечное излучение на границе атмосферы.

Плотность потока энергии солнечного излучения на границе атмосферы Земли описывается солнечной постоянной , которая представляет собой суммарную мощность солнечного излучения, проходящего через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно потоку, на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца вне земной атмосферы. Эта постоянная равна 1,367 кВт/м2. Величина не учитывает изменение плотности потока солнечного излучения в течение суток и в течении года для различных географических координат, данные факторы могут быть учеты с помощью формулы [1]:

(1)

где - плотность потока энергии солнечного излучения на границе атмосферы (здесь и далее верхнее подчеркивание величины означает усредненное значение в рамках заданного временного шага), [кВт/м2]; - нормальная плотность потока энергии солнечного излучения на границе атмосферы, характеризует изменение солнечной постоянной на ±1,7% в течение года ввиду эксцентриситета эллиптической орбиты вращения Земли вокруг Солнца, [кВт/м2]; - географическая широта рассматриваемой точки, определяет угловое расположение к Северу или к Югу от экватора, [град]; - угол солнечного склонения, характеризует угловое положение Солнца в солнечный полдень (т.е. когда Солнце расположено над местным меридианом) относительно плоскости экватора, [град]; и - часовой угол в начале и конце рассматриваемого интервала соответственно, характеризуют угловое смещение Солнца к Востоку или к Западу от местного меридиана, вызванное вращением Земли вокруг ее оси, [град].

Часовой угол изменяется со скоростью 15 градусов в час, принимается отрицательным до солнечного полудня, положительным после, в солнечный полдень равен нулю. Ввиду того, что часовые углы заката и рассвета зависят от угла солнечного склонения, их величина будет меняться в течение года, что соответствует увеличению длительности солнечного дня летом, и уменьшению его зимой. При этом будет меняться и длина углового пути, проходимого Солнцем.

Суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную поверхность.

Для оценки изменения плотности потока солнечного излучения при его прохождении через атмосферу Земли используется коэффициент прозрачности , который учитывает воздействие таких факторов, как поглощение солнечного излучения озоном, пылью, молекулами воздуха, водяного пара, облачным покровом, а так же отражение части излучения в космическое пространство. Непостоянство данных факторов часто приводит к невозможности точного определения их степени влияния на величину коэффициента прозрачности. Для решения этой задачи можно использовать статистическую зависимость, учитывающую основные влияющие факторы соответствующими коэффициентами [2]:

(2)

где - коэффициент прозрачности, [о.е.]; - оценка облачности, которая используется для учета типа облачного слоя и его высоты, определяется исходя из метеорологического показателя облачности (доля небесного пространства, скрытая облаками при наблюдении из определенного места), [о.е.]; - угловая высота Солнца, которая представляет собой угол между нормалью от рассматриваемой поверхности к Солнцу и ее проекцией на горизонтальную плоскость, в рамках заданного временного шага, [град]; , , , - коэффициенты, получаемые с помощью уравнений регрессионного анализа, могут отличаться для различных географических координат, а так же для различных диапазонов и , [безразмерные величины].

Тогда суммарное солнечное излучение у поверхности земли равно [2]:

фотоэлектрический солнечный инвертор

(3)

где - плотность потока энергии солнечного излучения у поверхности земли, падающего на горизонтальную поверхность, [кВт/м2].

Совокупное солнечное излучение, падающее на наклонную поверхность. Для определения совокупного солнечного излучения, падающего на наклонную поверхность, необходимо определить две составляющие суммарного излучения : прямое излучение и рассеянное излучение . Доля рассеянного излучения характеризуется коэффициентом рассеяния , который так же, как и коэффициент прозрачности, определяется по статистической зависимости, учитывающей влияние относительной влажности и температуры [3]:

(3)

где - коэффициент рассеяния, [о.е.]; - температура воздуха, [°С]; -относительная влажность воздуха, [о.е.].

С учетом полученного показателя, можно определить рассеянную составляющую плотности потока энергии солнечного излучения :

 (4)

где - плотность потока энергии рассеянного солнечного излучения у поверхности земли, падающего на горизонтальную поверхность, [кВт/м2];

Прямая составляющая солнечного излучения есть разница между суммарным и рассеянным излучением:

(5)

где - плотность потока энергии прямого солнечного излучения у поверхности земли, падающего на горизонтальную поверхность, [кВт/м2].

Совокупная плотность потока энергии солнечного излучения у поверхности земли, падающего на наклонную поверхность рассчитывается согласно выражению [1]:

(6)

где - совокупная плотность потока энергии солнечного излучения у поверхности земли, падающая на наклонную поверхность, [кВт/м2]; - среднее значение соотношения потока, падающего на горизонтально расположенную и наклонную панель, [о.е.]; - отражательная способность (альбедо) земной поверхности, [о.е.]; - наклон панели, [град]; - коэффициент анизотропии, характеризующий способность атмосферы пропускать прямое солнечное излучение [о.е.].

Первое слагаемое учитывает изменение доли прямого солнечного излучения в суммарном при изменении наклона панели. Второе слагаемое учитывает отражение части суммарного излучения от поверхности земли на наклонную панель. Третье слагаемое учитывает несколько ступеней рассеивания солнечного излучения: изотропное рассеянное солнечное излучение, получаемое от всего небесного купола; рассеянное околосолнечное излучение, получаемое в результате прямого рассеивания солнечных лучей, оно сосредоточенно вокруг солнечного диска; и рассеянное солнечное излучение, сконцентрированное у горизонта, наиболее ярко проявляющаяся при ясном небе.

Точность прогноза плотности потока солнечного излучения на поверхности земли в первую очередь обуславливается точностью метеорологического прогноза облачности, который оказывает решающее влияние на точность определения коэффициента прозрачности , а значит и на ошибку в прогнозе.

Определение выработки электроэнергии на СЭС.

После получения необходимого значения плотности потока солнечного излучения по методике, представленной выше, осуществляется прогноз выработки электроэнергии солнечной электростанцией, он состоит из двух основных этапов.

Определение выходной мощности постоянного тока фотоэлектрических панелей.

Расчётная мощность одной фотоэлектрической панели (ФЭП) определяется по уравнению [4]:

(7)

где - мощность одной ФЭП, [Вт]; - номинальная мощность ФЭП при стандартных условиях (паспортная величина), [Вт]; - коэффициент снижения общей эффективности панели в результате деградации фотоэлектрических модулей, [о.е.]; - плотность потока энергии солнечного излучения при стандартных условиях, принимается 1000 Вт/м2; - температурный коэффициент мощности (паспортная величина), [%/°C] - температура ФЭП, [°C]; - температура ФЭП при стандартных условиях, принимается 25 °C.

Эксплуатационная температура солнечных панелей и фотоэлементов внутри них влияет на производительность СЭС и учитывается с помощью температурной модели, описываемой уравнением:

(8)

- коэффициент поглощения панели (паспортная величина) , [о.е.]; - КПД панели (паспортная величина) [о.е.]; - скорость ветра, [м/с], - постоянный коэффициент теплопередачи, [Вт-2Ч°С-1]; - коэффициент конвективного теплообмена, [Вт3ЧсЧ°С-1].

Указанные выше уравнения позволяют оценить выработку одной ФЭП. Для формирования фотоэлектрической батареи используется последовательное и параллельное соединение отдельных панелей.

Мощность фотоэлектрической батареи определяется согласно уравнению [4]:

(9)

где - выработка фотоэлектрической батареи, [Вт]; - количество параллельно соединенных панелей в батарее; - количество последовательно соединенных панелей в батарее.

При подключении СЭС к сети, для преобразования постоянного тока в переменный используются инверторы, при этом процесс, как правило, связан с потерями мощности, которые могут быть учтены выражением [5]:

 (10)

где - выходная мощность на стороне переменного тока инвертора, [Вт]; - номинальная мощность на стороне переменного тока инвертора (паспортная характеристика), [Вт]; - мощность, вырабатываемая на стороне постоянного тока, [Вт]; - номинальная мощность на стороне постоянного тока инвертора (паспортная характеристика), [Вт]; - мощность собственного потребления инвертора (паспортная характеристика), [Вт].

Географическая точка, выбранная для расчета - город Базель, Швейцария (47°33?30? с. ш. 07°37?00? в. д.). Выбор обоснован тем, что для данного города существует обширный архив общедоступных метеоданных, в том числе по облачности и измеренному значению плотности потока энергии солнечного излучения у поверхности земли, что позволяет провести анализ погрешности прогнозирования. Кроме того, этот город расположен в Северном полушарии, приблизительно на той же широте, на которых могут расположиться СЭС в России. В качестве иллюстрации работоспособности методики приведены результаты расчета на часовых интервалах для одного солнечного дня (29.04.2017) на рис.1 и для одного облачного дня (25.04.2017) на рис. 2.

Анализ параметров ошибки прогноза при рассмотрении ясных дней показывает, что модель обладает небольшой средней абсолютной ошибкой, равной 11,3%. При этом среднеквадратичная ошибка прогноза, нормализованная на рассматриваемом диапазоне плотности потока солнечного излучения, составляет 2,8 %.

Рис. 1. Сводная диаграмма результатов для 29.04.2017 (ясный день)

Рис. 2. Сводная диаграмма результатов для 25.04.2017 (облачный день)

Анализ параметров ошибки прогноза при рассмотрении облачных дней показывает, что средняя абсолютная ошибка равна 48,6%, тогда как абсолютная ошибка прогноза изменяется в широких пределах от 5%, до 150% в отдельные часы, что указывает на низкую универсальность коэффициентов регрессии, полученных для (2). Нормализованная среднеквадратичная ошибка составляет 22,3 %.

Рассмотренная физико-статистическая модель прогнозирования обладает приемлемой точностью, особенно в ясные дни, на которые и приходится основная часть выработки СЭС. Значения выходной мощности фотоэлектрической панели и выходной мощности инвертора , главным образом, зависят от плотности потока солнечного излучения, изменяясь в течение суток пропорционально величине . Модель является достаточно гибкой, ошибка прогнозирования при использовании может быть снижена за счет более корректного определения коэффициента прозрачности посредством рассмотрения большей выборки при регрессионном анализе, кроме того, она может быть адаптирована для любых географических координат.

Список литературы

1. John A. Duffie, William A. Beckman. Solar Engineering of Thermal Processes. University of Wisconsin-Madison, 2013. - 928 с.

2. W.D. Turner, Abdulaziz Mujahid. The Estimation of Hourly Global Solar Radiation Using a Cloud Cover Model Developed at Blytheville, Arkansas. // Journal of Climate and applied meteorology. - 1984. - № 23. - С. 781_786.

3. Sokol Dervishi and Ardeshir Mahdavi. Comparison of models for the derivation of diffuse fraction of global irradiance data for Vienna, Austria. //. Сборник докладов Proceedings of Building Simulation 2011: 12th Conference of International Building Performance Simulation Association, Sydney. - 2011. - № 12. - С. 765_771.

4. Chiou-Jye Huang, Mao-Ting Huang, and Chung-Cheng Chen. A Novel Power Output Model for Photovoltaic Systems // International Journal of Smart Grid and Clean Energy. - 2013- № 2. - С. 139_147.

5. King, D.l., S. Gonzalez, G.M. Galbraith and W.E. Boyson. Performance Model for Grid-Connected Photovoltaic Inverters. Albuquerque, NM, Sandia National Laboratories. - 2007. - 47 с

Размещено на Allbest.ru