Оценка надежности и производительности солнечной фотоэлектрической станции

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 14174 (2023) Цитировать эту статью

1 Альтметрика

Подробности о метриках

На работу и эффективность системы откачки подземных вод, работающей на солнечной энергии, влияют многие экологические и технические факторы. Влияние этих факторов необходимо изучить, чтобы принять во внимание при разработке этих систем и обеспечить их надежность. В этом исследовании оценивалась надежность и производительность фотоэлектрической водонасосной системы (PVWPS) в реальных условиях эксплуатации путем изучения влияния солнечного излучения, температуры панелей и эффективности компонентов. С декабря 2020 года по июнь 2021 года эксперименты проводились на PVWPS мощностью 10 л.с., расположенном в Бани Саламе, провинция Аль-Канатер-Гиза, Египет, на 30,3° северной широты, 30,8° восточной долготы и на высоте 19 м над уровнем моря. Значения освещенности достигали 755,7, 792,7 и 805,7 Вт/м2 в 12:00 в декабре, марте и июне соответственно. Кроме того, освещенность оказывает существенное влияние на производительность насоса, поскольку объем перекачиваемой воды в течение суток достигал 129, 164,1 и 181,8 м3/сут соответственно. Температура панелей выросла до 35,7 °C, 39,9 °C и 44 °C соответственно. Было замечено, что при повышении температуры на 1 градус Цельсия эффективность падает на 0,48%. Средняя эффективность фотоэлектрических солнечных панелей достигла максимального значения в марте (13,8%) и минимального значения в декабре (13%).

Спрос на электроэнергию увеличился в результате быстрого роста населения мира и развития технологий. Использование ископаемого топлива, приводящее к выбросу значительного количества CO2 в атмосферу, является одним из факторов, оказывающих существенное влияние на изменение климата. Из-за этих факторов многие страны начали использовать чистую, доступную, возобновляемую и устойчивую форму энергии (в первую очередь солнечную энергию)1,2. Для орошения обычно используются дизельные насосы. Однако из-за роста цен на нефть на международном рынке, вредных выбросов при ее сжигании, высоких затрат на техническое обслуживание и короткого срока службы производители были вынуждены искать альтернативу. Использование возобновляемых источников энергии может снизить потребность в ископаемом топливе. Поскольку солнечная энергия широко доступна, даже в отдаленных районах, она является жизнеспособной альтернативой водяным насосам с дизельным двигателем3,4. Солнечная энергия является экологически чистым, возобновляемым источником энергии, не оказывающим вредного воздействия на окружающую среду по сравнению с источниками топлива на основе ископаемого топлива для производства энергии, и эту энергию можно использовать в сельских районах, где электричество труднодоступно. Это один из наиболее важных возобновляемых источников энергии, который можно использовать для выработки электроэнергии, которую затем можно использовать в качестве источника энергии для привода электрического водяного насоса для ирригации5,6. Энергия солнечного излучения в основном используется для создания тепловой и электрической энергии. Это альтернативный метод производства электроэнергии для более широкого спектра промышленных целей, а также в некоторых других областях, таких как строительство, хранение продуктов питания и сельскохозяйственное использование для питания насосов, двигателей, моторов и различных промышленных приборов, таких как вентиляторы и холодильники7. 8. Использование автономной фотоэлектрической системы (номенклатура показана в Таблице 1) в сельском хозяйстве для орошения в настоящее время становится все более популярным с каждым днем ​​во всем мире. Использование солнечной энергии обеспечивает использование зеленой энергии в системе9,10. Египет получает много прямой солнечной радиации, поскольку это страна солнечного пояса, годовое количество которой колеблется от 2000 до 3200 кВтч/м2 с севера на юг. Продолжительность солнечного сияния колеблется от 9 до 11 часов, с несколькими пасмурными днями в течение года11,12. Насосные системы, работающие на солнечной энергии, обеспечивают воду для различных целей, включая бытовое использование, а также для удовлетворения потребностей в воде в области орошения, поения скота и деревенского водоснабжения10,13. Генератор фотоэлектрической энергии, преобразователи энергии, электродвигатель и насос являются компонентами водонасосной системы, работающей на солнечной энергии14,15. Солнечную энергию можно использовать термически, используя солнечные тепловые коллекторы для нагрева и сушки, или фотоэлектрически, преобразовывая солнечный свет в электричество с помощью солнечных элементов, изготовленных из полупроводниковых материалов, таких как кремний. Солнечные панели, также известные как фотоэлектрические панели, изготавливаются путем последовательного соединения солнечных элементов. Оба типа находят множество применений в сельском хозяйстве, облегчая жизнь и способствуя повышению производительности. Электричество, вырабатываемое солнечной энергией, затем можно использовать для питания водяного насоса или хранить, перекачивая воду в высокий резервуар в течение дня и распределяя ее под действием силы тяжести после наступления темноты. Для хранения энергии, вырабатываемой в течение дня, для использования в электроприборах в ночное время потребуется батарея16,17. Существует два метода перекачки воды с помощью фотоэлектрической системы: солнечная энергия потребляется в «реальном времени» в первом методе, который известен как «накачка на солнце». Это решение требует хранения воды в резервуаре (например, вода, перекачиваемая в течение дня, сохраняется для последующего использования вечером). Второй метод заключается в использовании батарей для хранения энергии. Энергию, накопленную в течение дня, можно использовать для откачки воды позже18. На выходную мощность фотоэлектрической системы влияет ряд факторов, включая солнечное излучение, температуру поверхности фотоэлектрической панели, тень, угол наклона и скопление пыли. При проектировании фотоэлектрической системы следует учитывать ряд факторов и условий окружающей среды, включая, помимо прочего, угол наклона, облучение и температуру. Эти переменные оказывают значительное влияние на выходную мощность фотоэлектрических модулей19,20,21. Когда температура поверхности солнечной панели увеличивается на 1 °C летом и зимой, эффективность снижается на 0,48% и 0,42% соответственно22,23. На выходную мощность фотоэлектрической системы влияет ряд факторов, включая температуру поверхности фотоэлектрической панели, угол наклона и эффективность компонентов системы. Эти факторы следует исследовать и учитывать при проектировании и эксплуатации фотоэлектрической системы. Когда поверхность фотоэлектрического модуля перпендикулярна солнечным лучам, достигается максимальная выходная энергия фотоэлектрического элемента. Поскольку ориентация трекера ориентирована на максимальное облучение, он производит больше фотоэлектрической энергии, чем горизонтальная ориентация24,25. Было замечено, что многие фотоэлектрические водонасосные станции, хотя и хорошо спроектированы с инженерной точки зрения, впоследствии сталкиваются с проблемами в процессе эксплуатации, а также что объемы воды, перекачиваемой со станции, ниже ожидаемых. Это связано с недостаточным вниманием к экологическим и техническим факторам, оказывающим негативное влияние на станцию ​​и ее работу. Таким образом, целью этой работы было изучение надежности и производительности фотоэлектрической системы подземных водокачек в реальных условиях эксплуатации, исследование факторов негативного воздействия на фотоэлектрическую систему и демонстрация возможности полагаться на эту систему как на безопасную и безопасную систему. надежная альтернатива традиционным энергетическим системам, которые являются дорогостоящими и загрязняют окружающую среду.