ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2022-1-81-91ipolytech-578Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGИсследование функционирования фотоэлектрической установки в условиях облачной погоды на территории СевераOperation of a photovoltaic installation in the North under various cloudiness conditionshttps://orcid.org/0000-0001-7090-4839МестниковН. П.MestnikovN. P.

Местников Николай Петрович - аспирант,  ассистент кафедры электроснабжения,  Северо-Восточный ФУ  им. М.К. Аммосова;  ведущий инженер Отдела электроэнергетики, ИФТП Севера  СО РАН.

677000, Якутск, ул. Белинского, 58,  Республика Саха (Якутия); 677007, Якутск, ул. Кулаковского, 42, Республика Саха (Якутия)

Nikolay P. Mestnikov - Postgraduate student,  Assistant Professor of the Department of Power Supply,  M.K. Ammosov North-Eastern FU,  s of the North  of the Siberian Branch RAS.

58 Belinsky St., Yakutsk 677000, Republic of Sakha (Yakutia); 42 Kulakovsky St., Yakutsk 677007,  Republic of Sakha (Yakutia)

sakhacase@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4108-176XВасильевП. Ф.VasilyevP. F.

Васильев Павел Филиппович - кандидат технических наук,  заведующий кафедрой электроснабжения,  Северо-Восточный ФУ им. М.К. Аммосова; заведующий Отделом электроэнергетики,  ИФТП Севера  СО РАН.

677000, Якутск, ул. Белинского, 58,  Республика Саха (Якутия); 677007, Якутск, ул. Кулаковского, 42, Республика Саха (Якутия)

Pavel F. Vasilyev - Cand. Sci. (Eng.),  Head of the Department of Power Supply, M.K. Ammosov North-Eastern FU;  Head of the Electric Power Engineering Department,  Institute of Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch RAS.

58 Belinsky St., Yakutsk 677000, Republic of Sakha (Yakutia); 42 Kulakovsky St., Yakutsk 677007,  Republic of Sakha (Yakutia) 

kb-8@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8543-0867ДавыдовГ. И.DavydovG. I.

Давыдов Геннадий Ивановичь - научный сотрудник Отдела электроэнергетики.

677027, Якутск, ул. Октябрьская, 1, Республика Саха  (Якутия) 

Gennadiy I. Davydov - Researcher of the Department of Electric Power  Engineering.

1 Oktyabrskaya St., Yakutsk 677027, Republic of Sakha (Yakutia)

dav_gen@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1917-6976ХоютановА. М.KhoyutanovA. M.

Хоютанов Александр Михайлович - научный сотрудник Отдела электроэнергетики.

677027, Якутск, ул. Октябрьская, 1, Республика Саха (Якутия)

Aleksandr M. Khoyutanov - Researcher of the Department of Electric Power  Engineering.

1 Oktyabrskaya St., Yakutsk 677027, Republic of Sakha (Yakutia)

shuriklater@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8355-189XАльзаккарА. М.-Н.AlzakkarA. M.-N.

Альзаккар Ахмад Мухаммед-Насер – аспирант.

420066, Казань, ул. Яруллина, 6

Ahmad M.-N. Alzakkar - Postgraduate student.

6 Yarullin St., Kazan 420066

ahmadalzakkar86@gmail.comСеверо-Восточный федеральный университет имени М. К. Аммосова; Институт физико-технических проблем Севера, СО РАНРоссияNorth-Eastern Federal University in Yakutsk; Institute of Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch, Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут физико-технических проблем Севера, СО РАНРоссияInstitute of Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch, Russian Academy of SciencesRussian FederationКазанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian Federation2022050420222618191Copyright © Местников Н.П., Васильев П.Ф., Давыдов Г.И., Хоютанов А.М., Альзаккар А.М., 20222022Местников Н.П., Васильев П.Ф., Давыдов Г.И., Хоютанов А.М., Альзаккар А.М.Mestnikov N.P., Vasilyev P.F., Davydov G.I., Khoyutanov A.M., Alzakkar A.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/578

Цель – определение влияния различных видов облачности на функционирование фотоэлектрической установки на территории центральной части Республики Саха (Якутия). В работе использован метод определения электроэнергетической эффективности фотоэлектрической установки при различных видах облачности с приведением графических интерпретаций, с применением различных измерительных и регистрирующих устройств и описанием порядка проведения экспериментальных работ. Использованы закономерности определения среднестатистических показателей снижения электроэнергетической эффективности фотоэлектрической установки для определенного вида облачности. Конкретный вид облачности идентифицирован посредством проведения замеров и вычисления диапазонов освещенности при учете граничных условий. Данные исследования проведены в течение летнего периода 2021 года на базе мобильного полигона ИФТПС им. В. П. Ларионова СО РАН на территории центральной части Республики Саха (Якутия). Получены контрольные параметры изменения величины генерирующей мощности фотоэлектрической установки для 10 видов облачности, которые могут применяться при моделировании эксплуатационных процессов и инженерных расчетах режимов работы солнечных электростанций. Установлено, что в случае эксплуатации фотоэлектрических установок при различных видах облачности снижение генерирующей мощности установки варьируется в пределах 8–95% относительно показателя генерирующей мощности при безоблачной погоде. Полученные показатели изменения генерирующей мощности фотоэлектрической установки при различных видах облачности могут быть применены при разработке методики по оценке влияния облачности и ее видов на пропускную способность солнечных лучей, падающих на поверхность фотоэлектрических панелей, для более точного определения энергетического потенциала солнечной генерации в определенной местности.

This study investigates the effect produced by various types of cloudiness on the functioning of a photovoltaic system in the central part of the Republic of Sakha (Yakutia). The electric power efficiency of the photovoltaic system under various cloudiness conditions was assessed using graphical interpretations, measuring and recording devices, as well as a description of the procedure for conducting experimental work. The average indicators of a decrease in the electric power efficiency of the photovoltaic system were determined using patterns for a certain type of cloudiness. A specific cloudiness type was identified by performing measurements and calculating illumination ranges, taking boundary conditions into account. These studies were carried out during the summer period of 2021 using the facilities of the mobile test site of the V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences located in the central part of the Republic of Sakha (Yakutia). Control parameters of alterations in the generating capacity of the photovoltaic system were obtained for 10 types of cloudiness. The obtained parameters can be used when modeling operational processes and performing engineering calculations of the operating modes for solar power plants. According to the results, during the operation of photovoltaic systems under various types of cloudiness, the decrease in the generating capacity of the installation can vary within 8–95% relative to the generating capacity indicator under clear weather. The obtained indicators of alterations in the generating capacity of a photovoltaic system under various cloudiness conditions can be applied for developing a methodology for assessing the effect of cloudiness and its types on the carrying capacity of solar beams falling on the photovoltaic panel surface, as well as to more accurately determine the energy potential of solar generation in a certain area.

фотоэлектрическая установкамониторинг работыоблачностьгенерирующая мощностьэлектроэнергетическая эффективностьphotoelectric unitoperation monitoringcloud covergenerating capacitypower efficiencyРезультаты исследований, описанные в настоящей статье, подготовлены в рамках выполнения государственного задания по проекту «Исследования путей повышения эксплуатационной надежности и эффективности интеллектуальных электроэнергетических систем в условиях Севера и Арктики» ФНИ в РФ на 2021–2030 гг. по приоритетному направлению «Основы эффективного развития и функционирования энергетических систем на новой технологической основе в условиях глобализации, включая проблемы энергобезопасности, энергосбережения и рационального освоения природных энергоресурсов»The research results described in the article were prepared as a part of the state assignment for the project "Research on ways to improve the operational reliability and efficiency of intelligent electric power systems in the North and the Arctic" of the Fundamental Scientific Research in the Russian Federation for the period from 2021 till 2030 in the priority direction "Fundamentals of the effective development and operation of energy systems on a new technological basis in the conditions of globalization including the problems of energy security, energy conservation and rational development of natural energy resources”ReferencesДмитриенко В. Н., Лукутин Б. В. Методика оценки энергии солнечного излучения для фотоэлектростанции // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. Т. 328. № 5. С. 49–55. http://izvestiya.tpu.ru/archive/article/view/1881.Dmitrienko V. N., Lukutin B. V. Method for estimating solar radiation energy for photovoltaic plants. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov = Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. 2017;328(5):49-55. (In Russ.). http://izvestiya. tpu.ru/archive/article/view/1881.Тулегенова А. А. Потенциал энергообеспечения областей Казахстана с использованием возобновляемых источников Энергии // Альтернативная энергетика и экология. 2020. № 31-33. С. 72–80. https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.11.008.Tulegenova A. A. Energy supply potential of the Kazakhstan regions with the use of renewable energy sources. Alʹternativnaya energetika i ekologiya = Alternative Energy and Ecology. 2020;31-33:72-80. (In Russ.). https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.11.008.Дебрин А. С., Семенов А. Ф., Бастрон А. В., Кузьмин П. Н. Проектирование энергоэффективных ФСЭС для автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных потребителей Красноярского края путем использования графо-семантической базы данных энергии солнечного излучения // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 3. С. 216–221.Debrin A. S., Semenov A. F., Bastron A. V., Kuz'min P. N. The design of energy efficient FSES for autonomous power supply systems to agricultural consumers of Krasnoyarsk Krai by using the grapho-semantic database of solar radiation energy. Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2020;3:216-221. (In Russ.).Местников Н. П., Васильев П. Ф., Давыдов Г. И., Хоютанов А. М., Альзаккар А. М. Исследование возможности применения фотоэлектрических солнечных установок внутри купольного строения в условиях Севера // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2021. Т. 25. № 4. С. 435–449. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2021-4-435-449.Mestnikov N. P., Vasilyev P. F., Davydov G. I., Khoyutanov A. M., Alzakkar A. M. Applicability of photoelectrical solar units inside domical structures in northern conditions. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2021;25(4):435-449. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/1814-3520-2021-4-435-449.Шакиров В. А., Яковкина Т. Н., Курбацкий В. Г. Методика оценки выработки электроэнергии солнечными электростанциями с использованием данных многолетних наблюдений метеостанций // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. №. 4. С. 858–875. https://doi.org/10.21285/18143520-2020-4-858-875.Shakirov V. A., Yakovkina T. N., Kurbatsky V. G. Methodology for assessing electricity generation by solar power plants using data from long-term observations of meteorological stations. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2020;24(4):858-875. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-4-858-875.Бабаев Б. Д. Расчет выработки электроэнергии местной солнечной электростанцией при оптимальных параметрах // Вестник Дагестанского государственного университета. Серия 1: Естественные науки. 2021. Т. 36. Вып. 3. С. 21–28. https://doi.org/10.21779/2542-03212021-36-3-21-28.Babaev B. D. Calculation of electricity generation by a local solar power plant with optimal parameters. Vestnik Dagestanskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya 1: Estestvennye nauki = Herald of Dagestan State University. 2021;36(3):21-28. (In Russ.). https://doi.org/10.21779/2542-0321-2021-36-3-21-28.Бабаев Б. Д. Программа расчета поступления возобновляемых энергоресурсов и оптимизации режимов эксплуатации энергокомплексов по динамике нагрузки потребителя // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: матер. XIV Междунар. науч.-техн. конф. (г. Саратов, 30 октября – 1 ноября 2018 г.). Саратов: Изд-во СГТУ им. Ю. А. Гагарина, 2018. С. 55–60.Babaev B. D. Program for calculating the influx of renewable energy resources and optimizing the operation modes of power complexes according to consumer load dynmics. In: Problemy sovershenstvovaniya toplivnoenergeticheskogo kompleksa: materialy XIV Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii = Problems of fuel and energy complex improvement: proceedings of the 14th International Scientific and Technical Conference. 30 October – 1 November 2018, Saratov. Saratov: Yuri Gagarin State Technical University of Saratov; 2018, р. 55-60. (In Russ.).Торговкин Н. В., Макаров В. Н. Влияние современных климатических изменений на геохимические особенности мерзлотных почв г. Якутск // Устойчивость природных и технических систем в криолитозоне: матер. Всерос. конф. с междунар. участием, посвященной 60летию образования Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН (г. Якутск, 28–30 сентября 2020 г.). Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, 2020. С. 182−184.Torgovkin N. V., Makarov V. N. Climate change influence on geochemical features of cryosoles in Yakutsk. In: Ustojchivost' prirodnyh I tekhnicheskih sistem v kriolitozone: materialy Vserossijskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem, posvyashchennoj 60-letiyu obrazovaniya Instituta merzlotovedeniya im. P. I. Mel'nikova Sibirskogo otdeleniya Rossijskoj akademii nauk = Stability of natural and engineering systems in the cryolithozone: materials of All-Russian conference with international participation dedicated to the 60th anniversary of the formation of the P. I. Melnikov Permafrost Institute of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences. 28–30 September 2020, Yakutsk. Yakutsk: P. I. Melnikov Permafrost Institute of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; 2020, р. 182-184. (In Russ.).Perez R., Cebecauer T., Šúri M. Semi-empirical satellite models. Chapter 2 // Solar Energy Forecasting and Resource Assessment. Academic press, 2013. Р. 21– 48. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-397177-7.00002-4.Perez R., Cebecauer T., Šúri M. Semi-empirical satellite models. Chapter 2. In: Solar Energy Forecasting and Resource Assessment. Academic press; 2013, р. 2148. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-397177-7.00002-4.Šúri M., Cebecauer T., Skoczek A. Solargis: solar data and online applications for pv planning and performance assessment // 26th European Photovoltaics Solar Energy Conference. Hamburg, 2011. https://solargis2-webassets.s3.eu-west1.amazonaws.com/public/publication/2011/5514f381d4/Suri-Cebecauer-Skoczek-EUPVSEC2011-Solargis-solardata-and-online-applications-for-PV-planning-andperformance-assessment.pdfŠúri M., Cebecauer T., Skoczek A. Solargis: solar data and online applications for pv planning and performance assessment. In: 26th European Photovoltaics Solar Energy Conference. Hamburg; 2011. https://solargis2-webassets.s3.eu-west-1.amazonaws.com/public/publication/2011/5514f381d4/Suri-Cebecauer-Skoczek EUPVSEC2011-Solargis-solar-data-and-onlineapplications-for-PV-planning-and-performanceassessment.pdfSuri M., Cebecauer T., Skoczek A., Marais R., Mushwana C., Reinecke J., et al. Cloud cover impact on photovoltaic power production in South Africa // South African Solar Energy Conference: Proceedings of the 2nd. Port Elizabeth, 2014. https://solargis2-web-assets.s3.euwest-1.amazonaws.com/public/publication/2014/7e83f59297/Suri-et-al-SASEC2014-Cloud-cover-impacton-PV-power-production-in-South-Africa.pdfSuri M., Cebecauer T., Skoczek A., Marais R., Mushwana C., Reinecke J., et al. Cloud cover impact on photovoltaic power production in South Africa. In: South African Solar Energy Conference: Proceedings of the 2nd. Port Elizabeth; 2014. https://solargis2-web-assets.s3.euwest-1.amazonaws.com/public/publication/2014/7e83f59297/Suri-et-al-SASEC2014-Cloud-cover-impacton-PV-power-production-in-South-Africa.pdfBonkaney A., Madougou S., Adamou R. Impacts of cloud cover and dust on the performance of photovoltaic module in Niamey // Journal of Renewable Energy. 2017. Vol. 2017. https://doi.org/10.1155/2017/9107502.Bonkaney A., Madougou S., Adamou R. Impacts of cloud cover and dust on the performance of photovoltaic module in Niamey. Journal of Renewable Energy. 2017;2017. https://doi.org/10.1155/2017/9107502.Kern E. C., Gulachenski E. M., Kern G. A. Cloud effects on distributed photovoltaic generation: slow transients at the Gardner, Massachusetts photovoltaic experiment // IEEE Transactions on Energy Conversion. 1989. Vol. 4. Iss. 2. P. 184–190. https://doi.org/10.1109/60.17910.Kern E. C., Gulachenski E. M., Kern G. A. Cloud effects on distributed photovoltaic generation: slow transients at the Gardner, Massachusetts photovoltaic experiment. In: IEEE Transactions on Energy Conversion. 1989;4(2):184-190. https://doi.org/10.1109/60.17910.Mestnikov N., Vasiliev P., Alzakkar A. Development of method of protection of solar panels against dust pollution in the Northern part of the Russian Far East // International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). 2021. https://doi.org/10.1109/UralCon52005.2021.9559596.Mestnikov N., Vasiliev P., Alzakkar A. Development of method of protection of solar panels against dust pollution in the Northern part of the Russian Far East. In: International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). 2021. https://doi.org/10.1109/UralCon52005.2021.9559596.Mahalakshmi R., Aswin Kumar A., Kumar A. Design of fuzzy logic based maximum power point tracking controller for solar array for cloudy weather conditions // Power and energy systems: towards sustainable energy. 2014. https://doi.org/10.1109/PESTSE.2014.6805308.Mahalakshmi R., Aswin Kumar A., Kumar A. Design of fuzzy logic based maximum power point tracking controller for solar array for cloudy weather conditions. In: Power and energy systems: towards sustainable energy. 2014. https://doi.org/10.1109/PESTSE.2014.6805308.Detyniecki M., Marsala C., Krishnan A., Siegel M. Weather-based solar energy prediction // IEEE International Conference on Fuzzy Systems. 2012. https://doi.org/10.1109/FUZZ-IEEE.2012.6251145.Detyniecki M., Marsala C., Krishnan A., Siegel M. Weather-based solar energy prediction. In: IEEE International Conference on Fuzzy Systems. 2012. https://doi.org/10.1109/FUZZ-IEEE.2012.6251145.Lofthouse J., Simmons R. T., Yonk R. M. Reliability of renewable energy: solar. Электронный ресурс. URL: https://www.usu.edu/ipe/wpcontent/uploads/2015/11/Reliability-Solar-Full-Report.pdf (12.06.2021).Lofthouse J., Simmons R. T., Yonk R. M. Reliability of renewable energy: solar. Available from: https://www.usu.edu/ipe/wpcontent/uploads/2015/11/Reliability-Solar-Full-Report.pdf [Accessed 12th June 2021].Sowa S. Improving the energy efficiency of lighting systems by the use of solar radiation // 17th International Conference Heat Transfer and Renewable Sources of Energy (HTRSE-2018): E3S Web Conference. 2018. Vol. 70. Р. 01013. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20187001013.Sowa S. Improving the energy efficiency of lighting systems by the use of solar radiation. In: 17th International Conference Heat Transfer and Renewable Sources of Energy (HTRSE-2018): E3S Web Conference. 2018;70:01013. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20187001013.Шиловцева О. А. Световые ресурсы Москвы // Альтернативная энергетика и экология. 2013. № 6-2. С. 88–96.Shilovtseva O. A. Light resources of Moscow. Alʹternativnaya energetika i ekologiya = Alternative Energy and Ecology. 2013;6-2:88-96. (In Russ.).Местников Н. П., Альзаккар А. М.-Н. Исследование влияния холодного климата Якутии на функционирование монокристаллической солнечной системы генерации электроэнергии // Тинчуринские чтения – 2021 «Энергетика и цифровая трансформация»: матер. Междунар. молодежной науч. конф. (г. Казань, 28–30 апреля 2021 г.). Казань: ООО Полиграфическая компания «Астор и Я», 2021. С. 256–260.Mestnikov N. P., Al'zakkar A. M.-N. Studying the influence of cold climate of Yakutia on operation of a monocrystalline solar power generation system. Tinchurinskie chteniya – 2021 «Energetika i cifrovaya transformaciya»: materialy Mezhdunarodnoj molodezhnoj nauchnoj konferencii = Tinchurinskie readings - 2021 "Energy and digital transformation": materials of the International youth scientific conference. 28–30 April 2021, Kazan'. Kazan': Astor i Ya; 2021, р. 256-260. (In Russ.).Васильев П. Ф., Местников Н. П. Исследование влияния резко-континентального климата Якутии на функционирование солнечных панелей // Международный технико-экономический журнал. 2021. № 1. С. 57–64. https://doi.org/10.34286/1995-4646-2021-76-157-64.Vasilyev P. F., Mestnikov N. P. Research of the effect of the sharply continental climate of Yakutia on the functioning of solar panels. Mezhdunarodnyj tekhniko-ekonomicheskij zhurnal. 2021;1:57-64. https://doi.org/10.34286/1995-4646-2021-76-1-57-64.Нуруллин Э. Г., Зайнутдинова Э. Э., Салахутдинов И. А. Методические предпосылки по разработке комбинированной системы электроснабжения сельскохозяйственного предприятия с применением нетрадиционных источников энергии // Сельское хозяйство и продовольственная безопасность: технологии, инновации, рынки, кадры: научн. тр. II Междунар. науч.практ. конф., посвященной 70-летию Института механизации и технического сервиса и 90-летию Казанской зоотехнической школы (г. Казань, 28–30 мая 2020 г.). Казань: Казанский государственный аграрный университет, 2020. С. 26–32.Nurullin E. G., Zajnutdinova E. E., Salahutdinov I. A. Methodological basis for the development of a combined power supply system for an agricultural enterprise using unconventional energy sources. In: Sel'skoe hozyajstvo i prodovol'stvennaya bezopasnost': tekhnologii, innovacii, rynki, kadry: nauchnye trudy II Mezhdunarodnoj nauchnoprakticheskoj konferencii, posvyashchennoj 70-letiyu Instituta mekhanizacii i tekhnicheskogo servisa i 90-letiyu Kazanskoj zootekhnicheskoj shkoly = Agriculture and food security: technologies, innovations, markets, personnel: scientific works of the 2nd International scientific and practical conference dedicated to the 70th anniversary of the Institute of Mechanization and Technical Service and the 90th anniversary of the Kazan Zootechnical School. 28–30 May 2020, Kazan'. Kazan': Kazanskiy gosudarstvennyj agrarnyj universitet; 2020, р. 26-32. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.