Научный журнал

Современные наукоемкие технологии

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Курзаева Л.В. 1 Корнев Р. 1 Курзаев Д.О. 1 Замиралов В.А. 1 Егоров М.И. 1

---

1 ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Разработка симулятора солнечной генерации энергии обусловлена растущим интересом к возобновляемым источникам энергии. Целью данной работы является создание симулятора распределенной энергетики на основе солнечной генерации для популяризации данного направления среди населения и формирования первичных знаний о генерации энергии, ее практическом применении и эффектах. В ходе работы были рассмотрены аналоги существующих решений, выявлены их преимущества и недостатки. Основным преимуществом предлагаемого решения является объединение всех ключевых функций в одном приложении. В статье кратко раскрыты разработанные проектные решения: концепция программного средства, архитектурно состоящего из четырех подсистем: симуляции для расчета нагрузки дома, подбора параметров источника энергии и его установки, расчета энергобаланса и аналитики для демонстрации экологических и экономических эффектов. Приложение может быть применено в образовательных целях и способно помочь школьникам и студентам получить базовые знания о солнечной энергетике и ее потенциале, а также помочь пользователям принять обоснованное решение относительно установки солнечных систем. Настоящая статья представляет интерес для образовательного сообщества, которое занимается обучением и профориентационной работой по вопросам возобновляемых источников энергии и практического применения солнечной генерации.

Статья в формате PDF

1749 KB

солнечная генерация

симулятор

компьютерное моделирование

1. Батенин В.М., Безруких П.П., Борин В.Н. Инновационная электроэнергетика-21. М.: ООО «Издательско-аналитический центр Энергия», 2017. 584 с.

2. Горбина Е.В., Кот М.А. Возобновляемые источники энергии: солнечная генерация и ее применение // Взаимодействие науки и общества: проблемы и перспективы: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. в 3 ч. Ч. 2. Уфа: Астера, 2016. С. 27-29.

3. Круглыгин П.И., Уфа Р.А., Рудник В.Е., Васильев А.С. Оценка влияния объектов солнечной генерации на устойчивость энергорайона со слабыми связями // Интеллектуальная электротехника . 2022. Т. 3, № 19. С. 79-99.

4. Горбунова Л.Н., Корнилкин Р.В. К вопросу о возможности использования солнечной энергетики в сфере туризма. Благовещенск: Дальневосточный государственный аграрный университет, 2024. С. 8-15.

5. Сорогин А.С. Моделирование гибридной солнечной электростанции с помощью программного комплекса PVSYST с учетом охлаждения // Энергетика и энергосбережение: теория и практика: сб. матер. VII Междунар. науч.-практ. конф., Кемерово, 2023. Кемерово: Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 2023. С. 257-257.

6. Староконь И.В. Методика оценки воздействия солнечного излучения на температурное состояние морских стационарных платформ // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 2. [Электронный ресурс]. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=12713 (дата обращения: 20.06.2024).

7. Назиров Х.Б., Абдулкеримов С.А., Ганиев З.С., Джураев Ш.Дж., Ахьеев Дж.С. Оценка режима работы инверторов солнечных электростанций с точки зрения обеспечения качества электроэнергии // Электротехнические системы и комплексы. 2023. № 1 (58). С. 31-38.

8. Абдалиев Л.М., Кувшинов В.В., Бекиров, Э.А., Аль-Руфаии, Ф.М. Моделирование параметров управления интегрированной системой солнечной генерации и накопления энергии // Строительство и техногенная безопасность. 2020. Т. 18, № 70. С. 133-142.

9. Милованов Т.Е. Оценка ожидаемой солнечной генерации на основе статистических данных // Проблемы геологии и освоения недр: труды XXVII Международного молодежного научного симпозиума. 2023. С. 219-220.

Введение

Современные тенденции преобразования энергосистем стран, в том числе и России, отличаются наращиваем мощностей в сегменте малой распределенной энергетики. Подобные тенденции являются ответом на проблемы роста дефицита генерирующих мощностей, поиска путей обеспечения надежности энергоснабжения, в том числе потребителей, удаленных от централизованных сетей.

Распределенная энергетика – концепция построения энергетической системы на основе источников энергии, размещенных у потребителей. «Множество технологий распределенной генерации энергии охватывают установки мощностью до 25 МВт(э), включая нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» [1].

Переход от централизованной энергетики к комбинации централизованной, средней и малой распределенной является перспективным для России. В нашей стране на сегоднешний день на источники распределенной генерации приходится около 7% от общего объема выработки электроэнергии.

Среди возобновляемой генерации особое место занимает генерация на основе солнечной энергии [2].

Солнечное излучение на поверхность земли зависит от многих факторов:

− широты и долготы местности;

− географических и климатический особенностей;

− состояния атмосферы;

− высоты Солнца над горизонтом;

− размещения приемника солнечного излучения на земле по отношению к Солнцу и др. [3].

Следовательно, выбор – устанавливать или не устанавливать подобную систему – для физического лица достаточно сложен, что является одной из причин низкой популярности данного направления среди населения.

Целью исследования является создание приложения-симулятора по распределенной энергетике на основе солнечной генерации для популяризации данного направления среди населения, а также позволяющего пользователям сформировать первичные знания о данном виде генерации энергии, возможностях практического применения и эффектах при заданных условиях функционирования.

Для достижения поставленной цели проекта необходимо было решить определенные задачи.

1. Рассмотреть аналоги разрабатываемого решения, выявив их преимущества и недостатки.

2. Осуществить разработку проектных решений, а именно:

‒ создать общую концепцию проектируемого программного средства;

‒ разработать подсистему симуляции, позволяющую рассчитывать нагрузки дома, на основании которых выбираются мощности источника;

‒ разработать подсистему подбора параметров самого источника энергии и параметров его установки в зависимости от климатических условий размещения дома;

‒ разработать подсистему расчета дефицита или объем излишков электроэнергии;

‒ разработать аналитическую подсистему, позволяющую продемонстрировать экологический и экономический эффекты.

3. Осуществить выбор средств разработки и реализовать программное средство.

Материалы и методы исследования

Основными методами исследования являются теоретические: анализ литературы по проблеме, моделирование, обобщение полученных данных, методы программной инженерии.

Результаты исследования и их обсуждение

Sunny Design – программное обеспечение для планирования и проектирования фотогальванических систем.

Калькулятор солнечных батарей (Технолайн) – web-сервис для приблизительного расчета выработки электроэнергии от домашней солнечной электростанции, окупаемости и стоимости солнечных панелей [4].

SolarCT – мобильное приложение-калькулятор для расчета компонентов солнечной системы. Помогает в расчетах солнечной радиации, времени работы от батареи, характеристик проводов и потребления отдельных электроприборов [5].

PVSYST – программный пакет для архитекторов, инженеров и исследователей, удобный для изучения работы фотоэлектрических систем. Он содержит обширную библиотеку данных и руководство по проектированию солнечных электростанций [5].

Выявленные плюсы и минусы приведенных выше аналогов представлены в таблице.

Достоинства и недостатки некоторых программ

В целом, каждый из аналогов имеет свои сильные и слабые стороны. Sunny Design предлагает наиболее полный функционал для проектирования солнечных систем, но требует более высокого уровня квалификации и может быть менее доступен для новичков. Калькуляторы солнечных батарей от «Технолайн» и SolarCT предоставляют более простой подход к расчетам, что может быть полезно для начинающих пользователей, однако они имеют ограничения в функционале и возможностях настройки. PVSYST предлагает обширную библиотеку данных и мощные инструменты для моделирования, включая построение расчет потерь от затенений, но он может анализировать только PV-системы и не поддерживает гибридные электростанции, что ограничивает его гибкость.

Разработанное приложение позволяет объединить положительные стороны данных аналогов, а именно: получить подробные данные о выработке электроэнергии солнечными батареями с учетом работающих в доме электроприборов, экономическом и экологическом эффекте от установки солнечной электростанции с учетом наклона и направления солнечных панелей, а также учитывая географическое расположение объекта, при этом имеет наглядный пользовательский интерфейс, дающий возможность неопытным пользователям применять ПО.

Сформулируем базовые требования к разрабатываемому симулятору «Солнечная электрогенерация».

Бизнес-цели

Бизнес-цель 1. Обеспечение доступности в понимании особенностей размещения источников энергии в определенных географических точках.

Бизнес-цель 2. Обеспечение простоты расчетов необходимых мощностей энергетических источников.

Критерии успеха

Критерий успеха 1. Проработка физико-математической модели зависимостей выработки энергии от условий в определенных географических точках.

Критерий успеха 2. Простота работы и подбора параметров в симуляторе, дружественный интерфейс.

Факторы бизнес-риска

Фактор бизнес-риска 1. Ориентация тренажера на подбор оптимального размещения и установки комплексов источников энергии, а не по их составным частям, повышает надежность и совместимость, но ограничивает гибкость подбора оборудования.

Рис. 1. Диаграмма прецедентов

Рис. 2. Интерфейс приложения

Фактор бизнес-риска 2. Симулятор не будет отвечать потребностям пользователей в части расчета затрат и окупаемости.

Ограничения

Ограничение 1. Первая версия симулятора будет поддерживать только расчеты, связанные с генерацией на основе солнечной энергии на стационарных установках, не обеспеченных системой типа «подсолнух».

Ограничение 2. Усредненные показатели потребляемой энергии за год.

Ограничение 3. Не ведется соотнесение имеющейся и необходимой площади размещения оборудования.

Ограничение 4. Учет компонента рассеивания светового потока ведется на основе фиксированной поправки, а не аналитически.

Образ решения

Симулятор должен реализовывать следующие функциональные возможности, представленные на диаграмме прецедентов (рис. 1).

Для реализации указанных функций должны быть разработаны следующие подсистемы:

1) расчета нагрузки дома, на основании которой выбираются мощности источника;

2) подбора параметров самого источника энергии и параметров его установки в зависимости от климатических условий размещения дома;

3) расчета энергобаланса – дефицита или объема излишков электроэнергии;

4) расчета экономической и экологической эффективности, позволяющей продемонстрировать экологический (при сравнении с традиционными источниками энергии, использующими углеводородное сырье) и экономический (точка безубыточности, доход от продажи электроэнергии) эффекты от реализации решения (например, доход от продажи электроэнергии).

Подсистема расчета нагрузки дома, на основании которой выбираются мощности источника: подсистема предоставляет перечень оборудования, потребляющего энергию в жилом помещении, с указанием потребляемой мощности.

Подсистема подбора параметров самого источника энергии и параметров его установки в зависимости от климатических условий размещения дома.

Данная подсистема в плане реализации является наиболее сложной. И.В. Староконем [6] подробно описан математический аппарат для оценки интенсивности солнечного излучения в условиях разных географических положений на конкретный момент времени. Взяв за основу приведенные зависимости и дополнив их исследованиями Х.Б. Назирова, С.А. Абдулкеримова [7], Л.М. Абдалиева, В.В. Кувшинова [8], итоговую генерацию панели от прямого излучения солнца в момент времени в тренажере можно рассчитать как:

P = Pмакс × cosθ,

где Pмакс – максимальная мощность панели (формулы расчета в рамках данной работы приведены не будут);

cosθ – косинус угла падения прямого солнечного излучения на поверхность панели.

Реализация функции выбора и установки источников энергии включает необходимые расчеты и позволяет оперировать данными по климатическим зонам. В будущем данная модель будет дополнена оценкой ожидаемой солнечной генерации на основе статистических данных, пример которой подробно продемонстрирован Т.Е. Миловановым [9].

Подсистема расчета энергобаланса

Расчет энергобаланса солнечных панелей осуществляется путем вычисления разности сгенерированной энергии и потребленной энергии за определенный промежуток времени.

Подсистема расчета экономической и экологической эффективности

Разработка данной подсистемы в симуляторе осуществляется:

− в экономической части – на основе расчета точки безубыточности;

− в экологической части – путем сопоставления полученного объема энергии солнечной генерации с «грязными» способами c выделением парниковых газов.

В качестве среды разработки проектного решения был выбран игровой движок Unity, который позволяет собрать приложение под WebGL.

Реализован интерфейс работы с приложением (рис. 2). Указываются: широта, долгота, время, угол наклона, параметры панели и подключенные электроприборы.

Разработанная программная логика симулятора обеспечивает позиционирование панели на сцене приложения в соответствии со сторонами света; созданы настраиваемые панели, позволяющие увидеть и редактировать информацию об объектах; производится расчет энергобаланса выработки и потребления.

Заключение

Разработанное приложение покрывает все обозначенные бизнес-цели, а именно обеспечивает доступность в понимании особенностей выработки энергии при различных условиях, а также позволяет произвести расчеты необходимых мощностей исходя из потребления конкретного пользователя. Приложение расширяемо и в последующем будет учитывать дополнительные факторы, такие как среднестатистическая пасмурность и др. Приложение также может найти свое применение в ознакомлении с проблемой солнечной генерации в рамках мастер-классов для школьников и введении в специальность студентов первого курса по направлениям подготовки, связанным с энергетикой.

Библиографическая ссылка