УДК 681.2.083

Використання лабораторного стенду для дослідження залежності продуктивності сонячних панелей в залежності від кута падіння сонячних променів

М.О. Слабінога, Ю.М. Кучірка, Н. Б. Клочко, О.С. Криницький, С.В. Баран1

1ІФНТУНГ, 76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15, тел. (0342)50-45-21,
e-mail:mslabinoha@gmail.com

На основі розробленого раніше лабораторного стенду з дослідження функціонування сонячних панелей, розроблено апаратне та програмне забезпечення для проведення експериментів з дослідження залежності продуктивності сонячних панелей в залежності від кута падіння сонячних променів. Проведено експеримент, що дав змогу оцінити доцільність таких досліджень, отримано числові показники залежності, та описано напрями подальшого розвитку досліджень.

Ключові слова: сонячні панелі, сонячні трекери, кут падіння сонячних променів, лабораторний стенд.

На основании разработанного ранее лабораторного стенда по исследованию функционирования солнечных панелей, разработаны аппаратное и программное обеспечение для проведения экспериментов по исследованию зависимости производительности солнечных панелей в зависимости от угла падения солнечных лучей. Проведен эксперимент, позволивший оценить целесообразность таких исследований, получено числовые показатели зависимости, и описаны направления дальнейшего развития исследований.

Ключевые слова: солнечные панели, солнечные трекеры, угол падения солнечных лучей, лабораторный стенд.

Based on the previously developed laboratory stand for the study of the operation of solar panels, hardware and software for conducting experiments on the dependence of solar panel performance, depending on the angle of incidence of sunlight, have been developed. An experiment has been conducted that has made it possible to assess the feasibility of such studies, numerical indices of dependence have been obtained, and the directions of further research development have been described.

Keywords: solar panels, solar trackers, angle of incidence of sun rays, laboratory stand.

Вступ

Забезпечення часткової або повної енергетичної автономності підприємств з використанням альтернативних джерел енергії є важливою задачею для забезпечення енергонезалежності країни. Підвищення ефективності використання обладнання для продукування енергії з відновлюваних джерел, зокрема сонячних панелей, є одним із найважливіших завдань, які ставляться перед спеціалістами в галузі енергетики, тому важливо, щоб студенти відповідних спеціальностей отримали належну кваліфікацію та розуміли принципи побудови подібних систем, та залежностей, на основі яких вони функціонують.

Аналіз сучасних досліджень

Питанню залежності продуктивності сонячних панелей від кута падіння світла присвячена значна кількість наукових праць, зокрема [1-2]. Крім того, розроблена велика кількість практичних рішень та промислових розробок, які дозволяють повертати сонячну панель за Сонцем для досягнення максимальної ефективності її функціонування (сонячні трекери).

Виділення невирішених раніше частин загальної проблеми

Разом з тим, на практиці питання вибору між рухомими та нерухомими сонячними панелями залишається дискутивним та залежить від конкретного випадку використання. Дороговизна каркасу та обладнання для повороту сонячних панелей за сонцем значно збільшує період окупності такої установки. При цьому, рухомі сонячні панелі дають значно більшу ефективність продукування електроенергії.

Формулювання цілей статті

Таким чином, актуальною задачею є розробка апаратного та програмного забезпечення з дослідження залежності продуктивності сонячних панелей від кута падіння світла.

Авторами був розроблений лабораторний стенд з дослідження сонячних панелей[3], в якому сонячні панелі монтуються на рухому конструкцію, що приводиться в рух сервоприводами SG-90. Це дозволяє регулювати кут повороту сонячної панелі на 180 градусів по горизонтальному повороту на на 90 градусів по куту схилу, що дозволяє отримувати інформацію про ефективність продукування електроенергії в залежності від кута падіння сонячних променів в широкому діапазоні.

Висвітлення основного матеріалу дослідження

Для застосування стенду при вирішенні вищевказаної задачі в додаток до існуючого програмного забезпечення для мікропроцесорної системи Arduino, було розроблене програмне забезпечення для ПК мовою Python з використанням бібліотеки NumPy та Matplotlib.

Експеримент відбувається в наступній послідовності:

- після запуску програми панель встановлюється в позицію (0;0), де перший аргумент — кут горизонтального повороту, другий — кут схилу;

- панель послідовно повертається з кроком 2 градуси по куту схилу до досягнення кута схилу 90 градусів;

- панель повертається на 2 градуси по горизонталі та повертається в положення 0 по куту схилу;

- кроки повторюються, доки кут по горизонталі не досягне значення 180.

На кожному з кроків знімається значення потужності електричного струму, що продукується сонячною панеллю. Після завершення експерименту, результати записуються в CSV-файл та відображаються у вигляді графіка-поверхні. Приклад такого графіка наведено на рис. 1.

Рисунок 1 – Графік залежності значення продукованої потужності сонячної панелі (мВт, value) від кута повороту по горизонталі (градуси, x) та кута схилу (градуси, y)

Отримані результати показують, що максимальне значення (1,58 мВт), досягнуте в позиції (74;58), більш ніж в 20 разів перевищує мінімальне (0,07 мВт). Середнє значення по всіх позиціях панелі становить 1,02 мВт.

Висновки

Таким чином, подальші експерименти з дослідження  залежності продуктивності сонячних панелей від кута падіння світла та порівняльний аналіз з результатами продуктивності сонячних панелей у фіксованій позиції можуть дати можливість оцінки доцільності встановлення рухомих сонячних панелей та є перспективним напрямком дослідження.

Публікація містить результати досліджень, проведених при грантовій підтримці Держаного фонду фундаментальних досліджень за конкурсним проектом Ф-83/111-2018.

Література

1. Khan, Md & Tanzil, S M Shahrear & Rahman, Rifat & Alam, S M. (2010). Design and Construction of an Automatic Solar Tracking System. ICECE. 10.1109/ICELCE.2010.5700694.

2. Ranjita Nayak, Soumya & Ranjan Pradhan, Chinmaya. (2012). Solar Tracking Application. IOSR Journal of Engineering. 02. 10.9790/3021-026112781281.

3. Слабінога М.О. Програмне забезпечення взаємодії мікроконтролера та ЕОМ у складі лабораторного стенда з дослідження функціонування сонячних панелей / М.О. Слабінога, Н.Б. Клочко, Ю.М. Кучірка  // Системи обробки інформації. – 2017. – № 4(150). – С. 155-157. https://doi.org/10.30748/soi.2017.150.33.