Солнечная фотоэлектрическая система с отслеживанием максимальной мощности

В статье исследуется современная архитектура фотоэлектрических систем (ФЭС) с оценкой эффективности разработанного алгоритма отслеживания точки максимальной мощности (МРРТ) управления нечётким роем частиц (FPSO) для широт умеренно-континентального климата. Материал работы даёт оценку традиционных МРРТ алгоритмов по отношению к современному алгоритму FPSO. В статье обобщается опыт наблюдений за климатическими факторами и ресурсами Солнца на примере Российской Федерации. Так, в 2023 году средняя температура зимой превысила норму на 4,7 ºC, а средняя температура летом превзошла норму на 4,9 ºC по сравнению с 2022 годом. В работе дан анализ уровня инсоляции, который вырос на 0,03кВт*ч/м² по регионам России за период 2022-2023 годов. Экспериментальная часть работы проводилась на солнечной электростанции (СЭС) «Калмыкская» с координатами 53,422832 северной широты и 55,266895 восточной долготы. Опытным путём была получена ватт-вольтная характеристика поля фотоэлектрических модулей (ФЭМ), подключаемых к инвертору. При сравнении коэффициент корреляции между экспериментальными мощностью (P) и напряжением (U) панелей оказался выше, чем у идеальных – 0,933 против 0,914. Коэффициент корреляции между двумя рядами значений: идеальной зависимости P(U) и экспериментальной равен (-0,475). Также экспериментально были получены данные для расчёта коэффициента полезного действия (КПД) реализованного МРРТ алгоритма, который составил порядка 98,7%. Достоверность используемых в расчётах данных подтверждалась двумя независимыми средствами измерений, разница получаемых результатов составила менее 1%. В последней части эксперимента данного исследования была произведена оценка зависимости инсоляции в заданной географической точке от вырабатываемой мощности поля ФЭМ. Коэффициент корреляции составил 0,47, при этом выходное напряжение инвертора поддерживалось в номинальном диапазоне (600 ± 20%) В. Таким образом, авторами исследования экспериментальным путём была доказана эффективность использования МРРТ на FPSO в умеренно-континентальном климате с продолжительностью солнечного сияния Т = 1850 часов в год. Подтверждена эффективность алгоритма FPSO в условиях удалённости инвертора от общей точки коммутационного шкафа постоянного тока (КШПТ). Сделано заключение об эффективности применения МРРТ алгоритма, основанном на FPSO, в условиях частичного затенения, повышенной облачности и повышении температуры воздуха. Используя описание действующей архитектуры реализуемых по принципу On-Grid СЭС, авторы обращают внимание на невозможность работы подобных систем без наличия напряжения в опорной сети. Кроме этого, отмечена невозможность работы системы при значении мощности ФЭМ свыше 1500 кВт и при напряжении панелей менее 900 В. Для модернизации существующей архитектуры ФЭС впервые предлагается применение КШПТ и инвертора с реализованным МРРТ на FPSO в комбинации с электроустановкой производства водорода (H₂) и никель-водородными (Ni-H₂) аккумуляторами. Исследователи предлагают при напряжении поля ФЭМ ниже 900 В и при мощности поля ФЭМ свыше 1500 кВт посредством контроллера КШПТ направлять энергию на генерацию H₂ или на заряд Ni-H₂ батарей. Подобная архитектура позволит повысить бесперебойность и эффективность работы ФЭС, снизить углеродный след и использовать ФЭС в качестве промышленного источника бесперебойного питания (ИБП). В качестве основной проблемы развития альтернативной энергетики авторы видят отсутствие стандартизации реализуемых проектов по принципу ESG.

1. Zhdaneev O. V. Technological sovereignty of the Russian Federation fuel and energy complex. Journal of Mining Institute. – 2022. – Vol. 258, p. 1061-1078. DOI: 10.31897/PMI.2022.107

2. Ehsanul Kabir, Pawan Kumar, Sandeep Kumar, Adedeji A. Adelodun, Ki-Hyun Kim, Solar energy: Potential and future prospects, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 82, Part 1, 2018, Pages 894-900, ISSN 1364-0321, https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.09.094.

3. Srikanth, M. & Yadlapati, Kishore. (2024). MPPT Techniques Exploration under Uniform and Non-Uniform Solar Irradiance Condition – A Sur vey. E3S Web of Conferences. 472. 10.1051/e3sconf/202447201024

4. Experimental Implementation of Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter with an Improved Reliability for Solar PV Applications. C. Dhanamjayulu T. Girijaprasanna. https://www.hindawi.com/journals/itees/2023/8794874/

5. Classification and comparison of maximum power point tracking techniques for photovoltaic system. Ali Reza Reisi, Mohammad Hassan Moradi, Shahriar Jamasb. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032112006661

6. https://www.solarhome.ru/basics/solar/pv/mppt.htm?ysclid=lonfah6wlz212657986

7. Photovoltaic System Modeling with Fuzzy Logic Based Maximum Power Point Tracking Algorithm. Hasan Mahamudul, Mekhilef Saad, Metselaar Ibrahim Henk. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2090447922003033

8. Manna, Saibal & Singh, Deepak & Akella, Ashok & Kotb, Hossam & Aboras, Kareem & Zawbaa, Hossam & Kamel, Salah. (2023). Design and implementation of a new adaptive MPPT controller for solar PV systems. Energy Reports. 9. 1818-1829. 10.1016/j.egyr.2022.12.152.

9. Arshad, Naseem & Daud, Mohd & Md, Shahrin & Ayop, Razman. (2024). A Hybrid Maximum Power Point Tracking (MPPT) for Thermoelectric Generator (TEG) System. 10.1007/978-981-99-6749-0_36.

10. Mukti, Ersalina & Risdiyanto, Agus & Kristi, Ardath & Darussalam, Rudi. (2023). Particle Swarm Optimization (PSO) based Photovoltaic MPPT Algorithm under the Partial Shading Condition. Jurnal Elektronika dan Telekomunikasi. 23. 99. 10.55981/jet.552.

11. Padmanaban, Meganathan & Chinnathambi, Sasi & P., Pugazhendiran & Pachaivannan, Nammalvar. (2021). An Extensive Study on Online, Offline and Hybrid MPPT Algorithms for Photovoltaic Systems. Majlesi Journal of Electrical Engineering. 15. 1-16. 10.52547/mjee.15.3.1.

12. Grid-Connected Solar PV System with Maximum Power Point Tracking and Battery Energy Storage Integrated with Sophisticated Three-Level NPC Inverter. D. Ravi Kishore, Vijay Muni, Srinivas Raja, Mukesh Pushkarna, Srikanth Goud, Kareem M. AboRas, Sadam Alphonse. https://www.hindawi.com/journals/itees/2023/3209485/

13. Artificial intelligence techniques for photovoltaic applications. Adel Mellit, Soteris A. Kalogirou. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360128508000026#preview-section-snippets

14. Hasan Bektas Percin, Abuzer Caliskan. Whale optimization algorithm based MPPT control of a fuel cell system, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 48, Issue 60, 2023, Pages 23230-23241, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.03.180.

15. A review of soft computing methods for harmonics elimination PWM for inverters in renewable energy conversion systems. Abdul Moeed Amjad, Zainal Salam. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032114001026

16. studyinrussia.ru

17. https://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/

18. https://solarsystems.msk.ru/areas/#projects

19. Argastsev, A. Y., Zhdaneev, O. V., Stavtsev, A. V. et al. Inverters for Technological Development of Russia’s Energy Sector and Industry. Power Technol Eng 56, 309–318 (2022). https://doi.org/10.1007/s10749-02301511-1

20. Местников Н. П., Васильев П. Ф., Давыдов Г. И., Хоютанов А. М., Альзаккар А. М.-Н. ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ В УСЛОВИЯХ ОБЛАЧНОЙ ПОГОДЫ НА ТЕРРИТОРИИ СЕВЕРА // Вестник ИрГТУ. – 2022. – № 1 (162). https://doi.org/10.21285/1814-3520-2022-1-81-91

21. Xiao, Lingfei & Shen, Bin & Wei, Ye & Meng, Xiangshuo. (2023). MPPT Control of Solar Powered UAV Photovoltaic Power Supply Based on Intelligent Sliding Mode. 10.4271/2023-01-7095.

22. Rajesh Kannan, Venkatesan Sundharajan. A novel MPPT controller based PEMFC system for electric vehicle applications with interleaved SEPIC converter. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 48, Issue 38, 2023, Pages 14391-14405, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.12.284

23. https://realsolar.ru/article/solnechnye-batarei/kolichestvo-solnechnoy-energii-v-regionah-rossii/

24. А. Бутузов. «Российская солнечная электроэнергетика». Окружающая среда и энерговедение. – № 2, 2020, С. 10-25. doi:10.5281/zenodo.3930294

25. Bazhenov, Stepan & Dobrovolsky, Yu. & Maksimov, A. & Zhdaneev, Oleg. (2022). Key challenges for the development of the hydrogen industry in the Russian Federation. Sustainable Energy Technologies and Assessments. 54. 102867.10.1016/j.seta.2022.102867.

26. Fatih Yilmaz, Murat Ozturk, Resat Selbas. Development and assessment of a solar-driven multigeneration plant with compressed hydrogen storage for multiple useful products. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 48, Issue 99, 2023, Pages 39043-39063,ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.12.080.

27. Junjie Zhao, Min Liu, Xuesong Zhang, Zhengkai Tu, Off-grid solar photovoltaic-alkaline electrolysis-metal hydrogen storage-fuel cell system: An investigation for application in eco-neighborhood in Ningbo, China, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 48, Issue 50,2023, Pages 19172-19187, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.02.007.

28. Sabrina Fernandes Macedo, Drielli Peyerl. Prospects and economic feasibility analysis of wind and solar photovoltaic hybrid systems for hydrogen production and storage: A case study of the Brazilian electric power sector, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 47, Issue 19, 2022, Pages 10460-10473, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.01.133.

29. Xuan Wang, Qi Li, Weirong Chen, Weiying Wang, Yuchen Pu, Jin Yu, Parallel interaction influence of single-stage photovoltaic grid-connected/hydrogen production multi-inverter system based on modal analysis. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 44, Issue 11, 2019, Pages 5143-5152, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.10.046

30. Galitskaya, Elena & Zhdaneev, Oleg. (2022). Development of electrolysis technologies for hydrogen production: A case study of green steel manufacturing in the Russian Federation. Environmental Technology & Innovation. 27. 102517. 10.1016/j.eti.2022.102517.

31. Mengdi Ji., Jianlong Wang. Review and comparison of various hydrogen production methods based on costs and life cycle impact assessment indicators, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 46, Issue 78, 2021, Pages 38612-38635, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.09.142.

32. Roxanne Pinsky, Piyush Sabharwall, Jeremy Hartvigsen, James O’Brien, Comparative review of hydrogen production technologies for nuclear hybrid energy systems, Progress in Nuclear Energy, Volume 123, 2020, 103317, ISSN 0149-1970, https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2020.103317.

33. Galitskaya, E. & Khakimov, R. & Moskvin, A. & Zhdaneev, Oleg. (2023). Towards a new perspective on the efficiency of water electrolysis with anionconducting matrix. International Journal of Hydrogen Energy. 49. 10.1016/j.ijhydene.2023.10.339.

34. Егоров А. Н., Юрин В. Е. Первичное регулирование частоты тока в энергосистеме атомными электростанциями на основе водороднотеплового аккумулирования. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2021; (1-3):21-33. https://doi.org/10.15518/isjaee.2021.01.002

35. Herczeg, B.; Pintér, É. The Nexus between Wholesale Electricity Prices and the Share of Electricity Production from Renewables: An Analysis with and without the Impact of Time of Distress. Energies 2024, 17, 857. https://doi.org/10.3390/en17040857

36. Chu, Steven & Majumdar, Arun. (2012). Opportunities and challenges for a sustainable energy future. Nature. 488. 294-303. 10.1038/nature11475.

37. Yang, Zhenguo & Zhang, Jianlu & Kintner-Meyer, Michael & Lu, Xiaochuan & Choi, Daiwon & Lemmon, John & Liu, William. (2011). Electrochemical Energy Storage for Green Grid. Chemical reviews. 111. 3577-613. 10.1021/cr100290v.

38. Fagerström, Jonathan & Das, Soumya & Klyve, Øyvind & Olkkonen, Ville & Marstein, Erik. (2024). Profitability of battery storage in hybrid hydropower-solar photovoltaic plants. Journal of Energy Storage. 77. 109827. 10.1016/j.est.2023.109827.

39. Tarasenko, Alexey & Kiseleva, S. & Popel’, O. (2022). Hydrogen energy pilot introduction – Technology competition. International Journal of Hydrogen Energy. 47. 10.1016/j.ijhydene.2022.01.242.

40. Li Ruihan, Hu Feng, Xia Ting, Li Yongzhi, Zhao Xin, Zhu Jiaqi,Progress in the application of first principles to hydrogen storage materials,Internation al Journal of Hydrogen Energy,Volume 56, 2024,Pages 1079-1091, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.12.259.

41. Faeze Moradi Nafchi, Ehsan Baniasadi, Ebrahim Afshari, Nader Javani. Performance assessment of a direct steam solar power plant with hydrogen energy storage: An exergoeconomic study, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 47, Issue 62, 2022, Pages 26023-26037, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.01.250.

42. Emad Abdelsalam, Fares Almomani, Feras Kafiah, Hamza Alnawafah, Adel Juaidi, Ramez Abdallah. Integrating solar chimney power plant with electrolysis station for green hydrogen production: A promising technique, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 52, Part B, 2024, Pages 1550-1563, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.08.305.

43. Chen, Siyuan & Chen, Zijie & Liu, Zhicun. (2023). Preparation and application of lithium batteries, nickel-hydrogen batteries and nickel-cadmium batter ies. Applied and Computational Engineering. 23. 59-67. 10.54254/2755-2721/23/20230612.

44. Uesato, Hiroki & Miyaoka, Hiroki & Ichikawa, Takayuki & Kojima, Yoshitsugu. (2019). Hybrid nickel-metal hydride/hydrogen battery. International Journal of Hydrogen Energy. 44. 10.1016/j.ijhydene.2018.12.114.

45. KOVTUN, Vladimir. (2022). Procedures for cognitive and synergetic observation and proactive control of power capacity of nickel-hydrogen storage batteries onboard a geostationary spacecraft. Space engineering and technology. 109-124. 10.33950/spacetech-2308-7625-2022-1-109-124.

46. Chen, Wei & Jin, Yang & Zhao, Jie & Liu, Nian & Cui, Yi. (2018). Nickel-hydrogen batteries for large-scale energy storage. Proceedings of the Nation al Academy of Sciences. 115. 201809344. 10.1073/pnas.1809344115.

47. Lee, Jisu & Song, Hyun-Kon. (2023). Low-Voltage Hydrogen Production via Hydrogen Peroxide Oxidation Facilitated by Oxo Ligand Axially Coordinated to Cobalt in Phthalocyanine Moiety. ECS Meeting Abstracts. MA2023-02. 62-62. http://dx.doi.org/10.1149/MA2023-02162mtgabs

48. Tao Hai, Ammar K. Alazzawi, Jincheng Zhou, Hamid Farajian, Performance improvement of PEM fuel cell power system using fuzzy logic controller-based MPPT technique to extract the maximum power under various conditions, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 48, Issue 11, 2023, Pages 4430-4445, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.10.103.

49. Mostafa El-Shafie, Shinji Kambara, Yukio Hayakawa, Tomonori Miura. «Preliminary results of hydrogen production from water vapor decomposition using DBD plasma in a PMCR reactor». International Journal of Hydrogen Energy, Volume 44, Issue 36, 2019, Pages 20239-20248, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.05.199.

50. Zhdaneev, Oleg. (2022). Russian fuel and energy complex technology policy at the moment of energy transition. Eurasian Mining. 13-19. 10.17580/ em.2022.01.03.

51. Mostafa El-Shafie, Shinji Kambara,Comprehensive analysis of hydrogen production from various water types using plasma: Water vapour decomposition in the presence of ammonia and novel reaction kinetics analysis. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 52, Part D, 2024, Pages 14-30, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.11.209.

52. Şehnaz Genç, Harun Koku, A preliminary techno-economic analysis of photofermentative hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 52, Part D, 2024, Pages 212-222, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.03.475.

53. Fatueva, E. & Shpilkina, T. & Shishova, I. & Filimonova, N. (2023). Development of renewable energy and hydrogen energy in the Russian economy: problems and prospects. Scientific notes of the Russian academy of entrepreneurship. 22. 90-100. DOI:10.24182/2073-6258-2023-22-3-90-100.