ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2022-3-439-450ipolytech-627Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGРасчет инсоляции солнечной фотоэлектрической электростанции с учетом геолокационных и погодных параметровInsolation calculations of a photovoltaic power plant taking into account location-based and weather parametershttps://orcid.org/0000-0003-2557-8477КоноваловЮ. В.KonovalovYu. V.

Коновалов Юрий Васильевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электропривода и электрического транспорта

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия

Yuri V. Konovalov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Electric Drive and Electric Transport

83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russia

yrvaskon@mail.ruХазиевА. Н.KhazievA. N.

Хазиев Алексей Нурисламович, студент

665835, г. Ангарск, ул. Чайковского, 60, Россия

Aleksey N. Khaziev, Student

60 Tchaikovsky St., Angarsk 665835, Russia

uxaziewaaa@gmail.comИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian FederationАнгарский государственный технический университетРоссияAngarsk State Technical UniversityRussian Federation202208102022263439450Copyright © Коновалов Ю.В., Хазиев А.Н., 20222022Коновалов Ю.В., Хазиев А.Н.Konovalov Y.V., Khaziev A.N.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/627

Цель – разработать методику расчета инсоляции солнечной фотоэлектрической электростанции с учетом максимального количества значимых входных параметров и ее территориальной адаптации. При решении поставленной задачи применялось имитационное моделирование, реализованное средствами MATLAB. Использованы функциональные возможности по синтезу моделей из имеющихся элементов с интеграцией алгоритмов и результатов моделирования между блоками подсистемы Simulink. В качестве значимых входных параметров рассматривались географические координаты, местное время, угол наклона приемной солнечной панели, моделируемый день, коэффициент прозрачности атмосферы, альбедо и азимутальный угол. Разработана компьютерная модель солнечной фотоэлектрической электростанции, позволяющая исследовать работу фотоэлектрических элементов в зависимости от координат их установки, геометрических параметров солнечных панелей, температуры и отражающей способности окружающей среды. При моделировании работы солнечной электростанции визуализируются графические зависимости солнечной инсоляции от угла наклона солнечной панели, от прозрачности атмосферы, от географических координат объекта, от текущего месяца или дня года. Анализ результатов показал, что варьирование угла наклона солнечной панели на 150 модифицирует солнечную инсоляцию на 10–15%, изменение коэффициента прозрачности атмосферы на 20% приводит к изменению уровня инсоляции на 30–50%, суточные суммы инсоляций в течение года для г. Ангарск подвергаются модификации от 1000 до 6500 Вт/м2. Представленные результаты исследования регионально адаптированной фотоэлектрической электростанции показали необходимость учета геолокационных и погодных параметров при расчете инсоляции для определения целесообразности ее применения. Предложенная математическая модель расчета солнечной инсоляции для фотоэлектрической электростанции может быть использована при проектировании и оптимизации систем энергоснабжения в комбинации с данными солнечными фотоэлектрическими электростанциями.

In this study, we set out to develop a methodology for calculating insolation of a photovoltaic power plant taking into account the maximum number of significant input parameters and its territorial adaptation. To this end, simulation modelling implemented in the MATLAB environment was used. Functional possibilities for the synthesis of models using existing elements with the integration of algorithms and modelling results between the blocks of the Simulink sub-system were used. In terms of significant input parameters, geographical coordinates, local time, tilt of the receiving solar panel, modelled day, atmospheric transparency coefficient, albedo and azimuthal angle were considered. A computer model of a photovoltaic power plant was developed for investigating the operation of photovoltaic cells depending on the coordinates of their installation, geometric parameters of solar panels, as well as the temperature and reflectivity of the environment. The performed modelling of the photovoltaic power plant operation visualised graphic dependences of insolation on the tilt of the solar panel, atmospheric transparency coefficient, geographical coordinates of the object and the current month or day. According to the analysis, 15 variations in the solar panel tilt modifies insolation by 10–15%, while variations in the atmospheric transparency coefficient result in 30–50% variations of insolation. As a result, the daily insolation values for the city of Angarsk throughout a year can be modified by 1000–6500 W/m2. The presented results of investigating a regionally adapted photovoltaic power plant demonstrated the need for accounting for location-based and weather parameters during the calculation of insolation for determining the applicability of a plant. The proposed mathematical model for calculating insolation of a photovoltaic power plant can be used for the design and optimization of power supply systems in combination with the specified photovoltaic solar power plants.

солнечная электростанциямоделированиеинсоляциякоординатыпогодные условияMATLABsolar power plantmodelinginsolationcoordinatesweather conditionsMATLABReferencesRylov A. V., Ilyushin P. V., Kulikov A. L., Suslov K. V. Testing photovoltaic power plants for participation in general primary frequency control under various topology and operating conditions // Energies. 2021. Vol. 14. Iss. 16. Р. 5179. https://doi.org/10.3390/en14165179.Rylov A. V., Ilyushin P. V., Kulikov A. L., Suslov K. V. Testing photovoltaic power plants for participation in general primary frequency control under various topology and operating conditions. Energies. 2021;14(16):5179. https://doi.org/10.3390/en14165179.Karamov D. N., Suslov K. V. Structural optimization of autonomous photovoltaic systems with storage battery replacements // Energy Reports. 2021. Vol. 7. P. 349–358. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.01.059.Karamov D. N., Suslov K. V. Structural optimization of autonomous photovoltaic systems with storage battery replacements. Energy Reports. 2021;7:349-358. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.01.059.Suslov K., Solodusha S., Gerasimov D. Integral models for control of smart power networks // IFACPapersOnLine. 2016. Vol. 49. Iss. 27. P. 439–444. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2016.10.772.Suslov K., Solodusha S., Gerasimov D. Integral models for control of smart power networks. IFAC-PapersOnLine. 2016;49(27):439-444. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2016.10.772.Suslov K. V., Shushpanov I. N., Buryanina N. S., Ilyushin P. V. Flexible power distribution networks: new opportunities and applications // Proceedings of the 9th International Conference on Smart Cities and Green ICT Systems - SMARTGREENS. 2020. Vol. 1. P. 57–64. https://doi.org/10.5220/0009393300570064.Suslov K. V., Shushpanov I. N., Buryanina N. S., Ilyush-in P. V. Flexible power distribution networks: new opportunities and applications. In: Proceedings of the 9th Inter-national Conference on Smart Cities and Green ICT Systems - SMARTGREENS. 2020;1:57-64. https://doi.org/10.5220/0009393300570064.Шакиров В. А., Артемьев А. Ю. Учет данных метеостанций при анализе эффективности применения солнечных энергетических установок // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 3. С. 227–232.Shakirov V. A., Artemiev A. Yu. Accounting weather station data in the analysis of solar power systems application efficiency. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2015;3:227-232. (In Russ.).Шакиров В. А., Артемьев А. Ю. Методика учета влияния облачности на поток солнечной радиации по данным архивов метеостанций // Системы. Методы. Технологии. 2014. № 4. С. 79–83.Shakirov V. A., Artemyev A. Y. Technique for considering the influence of cloudiness on the solar radiation flux according to the archives of meteorological stations. Sistemy. Metody. Tekhnologii = Systems. Methods. Technologies. 2014;4:79-83. (In Russ.).Bulatov Yu. N., Kryukov A. V., Korotkova K. E. Digital Twin of the distributed generation plant // Actual problems of the energy complex: mining, production, transmission, processing and environmental protection. International Scientific and Practical Conference. Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020. Vol. 976. Р. 012024. https://doi.org/10.1088/1757-899X/976/1/012024.Bulatov Yu. N., Kryukov A. V., Korotkova K. E. Digital twin of the distributed generation plant. In: Actual problems of the energy complex: mining, production, transmis-sion, processing and environmental protection. International Scientific and Practical Conference. Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020;976:012024. https://doi.org/10.1088/1757-899X/976/1/012024.Bulatov Yu. N., Kryukov A. V., Arsentiev G. O. Intelligent electrical networks based on controlled energy routers // International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing. 2018. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2018.8728738.Bulatov Yu. N., Kryukov A. V., Arsentiev G. O. Intelli-gent electrical networks based on controlled energy routers. In: International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing. 2018. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2018.8728738.Шайхутдинов А. М. Возможности использования облачных технологий в энергетике // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 2-3. [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2015/02/45646 (14.02.2022).Shaikhutdinov A. M. The possibility of using cloud technologies in energy sector. Sovremennye nauchnye issledovaniya i innovacii = Modern scientific researches and innovations. 2015;2-3. Available from: http://web.snauka.ru/issues/2015/02/45646 [Accessed 14th February 2022]. (In Russ.).Глущенко П. В. Перспективы облачных технологий в математических и инструментальных методах исследования и управления в интеллектуальном электроэнергетическом комплексе экономики России. 2020. [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/perspektivy-oblachnyhtehnologiy-v-matematicheskih-i-instrumentalnyh-metodahissledovaniya-i-upravleniya-v-intellektualnom/viewer (14.02.2022).Glushchenko P. V. Prospects of cloud technologies in mathematical and instrumental methods of study and management of intellectual power complex of the Russian economy. 2020. Available from: https://cyberleninka.ru/article/n/perspektivy-oblachnyh-tehnologiy-v-matematicheskih-i-instrumentalnyh-metodah-issledovaniya-i-upravleniya-v-intellektualnom/viewer [Accessed 14th February 2022].Nurbosynov D., Tabachnikova T., Bashirov R., Batanin А. Simulation model of the electrical complex of auxiliary equipment of an oil and gas production enterprise // International Scientific Electric Power Conference. Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2019. Vol. 643. P. 012096. https://doi.org/10.1088/1757-899X/643/1/012096.Nurbosynov D., Tabachnikova T., Bashirov R., Ba-tanin А. Simulation model of the electrical complex of auxiliary equipment of an oil and gas production enterprise. In: International Scientific Electric Power Conference. Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2019;643:012096. https://doi.org/10.1088/1757-899X/643/1/012096.Tabachnikova T., Makht A., Nurbosynov E. Analytical studies of transformers operating modes in supply and distribution electric network of a field substation // International Scientific Electric Power Conference. Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2019. Vol. 643. P. 012090. https://doi.org/10.1088/1757-899X/643/1/012090.Tabachnikova T., Makht A., Nurbosynov E. Analytical studies of transformers operating modes in supply and distribution electric network of a field substation. In: Inter-national Scientific Electric Power Conference. Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2019;643:012090. https://doi.org/10.1088/1757-899X/643/1/012090.Obukhov S., Plotnikov I., Kryuchkova M. Simulation of Electrical Characteristics of a Solar Panel // 15th International Conference on Modern Technologies for NonDestructive Testing. Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2016. Vol. 132. Iss. 1. Р. 012017. https://doi.org/10.1088/1757-899X/132/1/012017.Obukhov S., Plotnikov I., Kryuchkova M. Simulation of electrical characteristics of a solar panel. In: 15th International Conference on Modern Technologies for Non-Destructive Testing. Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2016;132(1):012017. https://doi.org/10.1088/1757-899X/132/1/012017.Lombardi P., Sokolnikova T., Suslov K., Voropai N., Styczynski Z. A. Isolated power system in Russia: a chance for renewable energies? // Renewable Energy. 2016. Vol. 90. P. 532–541. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.01.016.Lombardi P., Sokolnikova T., Suslov K., Voropai N., Styczynski Z. A. Isolated power system in Russia: a chance for renewable energies? Renewable Energy. 2016;90:532-541. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.01.016.Luque A., Hegedus S. Handbook of photovoltaic science and engineering. Chichester: John Wiley & Sons, 2003. 1179 p. https://doi.org/10.1002/0470014008.Luque A., Hegedus S. Handbook of photovoltaic sci-ence and engineering. Chichester: John Wiley & Sons; 2003, 1179 p. https://doi.org/10.1002/0470014008.Markvart T., Castaner L. Practical handbook of photovoltaics. Fundamentals and applications. Hoboken: John Wiley & Sons, 2012. 1244 p.Markvart T., Castaner L. Practical handbook of photovoltaics. Fundamentals and applications. Hoboken: John Wiley & Sons; 2012, 1244 p.Шакиров В. А., Артемьев А. Ю. Оценка ветроэнергетического потенциала района средствами компьютерного моделирования // Прикладная информатика. 2015. Т. 10. № 4. С. 93–104.Shakirov V. A., Artem'ev A. Yu. Computer simulation in solving the problem of estimating the wind power poten-tial of the region. Prikladnaya informatika = Journal of Applied Informatics. 2015;10(4):93-104. (In Russ.).Liu B. Y. H., Jordan R. C. Daily insolation on surfaces tilted towards the equator // ASHRAE Journal. 1961. Vol. 3. P. 53–59.Liu B. Y. H., Jordan R. C. Daily insolation on surfaces tilted towards the equator. ASHRAE Journal. 1961;3:53-59.Duffie J. A., Beckman W. A. Solar Engineering of Thermal Processes. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2013. 910 р.Duffie J. A., Beckman W. A. Solar engineering of thermal processes. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons; 2013, 910 р.Панкратьев П. С., Шакиров В. А. Методика определения перспективных электрических нагрузок удаленных электрических станций на основе кластерного анализа // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. 2014. Т. 1. С. 68–71.Pankratiev P. S., Shakirov V. A. Cluster analysis-based methodology for determining the promising electrical loads of remote power plants. Trudy Bratskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennye i inzhe-nernye nauki. 2014;1:68-71. (In Russ.).Еремеев В. С., Кирилин А. А., Шевченко М. А., Шувалов С. П., Струмеляк А. В., Булатов Ю. Н., Шакиров В. А. Электроснабжение удаленных потребителей в условиях Сибири с использованием энергии солнца // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. 2014. Т. 1. С. 49–53.Eremeev V. S., Kirilin A. A., Shevchenko M. A., Shu-valov S. P., Strumelyak A. V., Bulatov Yu. N., Shakirov V. A. Power supply of remote consumers in Siberian conditions using solar energy. Trudy Bratskogo gosudarstven-nogo universiteta. Seriya: Estestvennye i inzhenernye nauki. 2014;1:49-53. (In Russ.).Гусаров А. В. Основные закономерности соотношения русловой и бассейновой составляющих эрозии и стока взвешенных наносов в речных бассейнах Северной Евразии. Геоморфология. 2015. № 4. С. 3–20. https://doi.org/10.15356/0435-4281-2015-4-3-20.Gusarov A. V. The main regularities of the ratio be-tween riverbed and basin components of erosion and suspended sediment flux in the Northern Eurasia’s river basins. Geomorfologiya. 2015;(4):3-20. https://doi.org/10.15356/0435-4281-2015-4-3-20.Исаков С. В., Шкляев В. А. Оценка поступления солнечной радиации на естественные поверхности с применением геоинформационных систем // Географический вестник. 2012. № 1. С. 72–80.Isakov S. V., Shklyaev V. A. Estimation of receipt of solar radiation on natural surfaces with application of geoinformation systems. Geograficheskii vestnik. 2012;1:72-80. (In Russ.).

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