Entwurf eines LED-Beleuchtungssystems mit solarbetriebenen PV-Zellen für einen geplanten Geschäftskomplex

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 13289 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Das Papier skizziert die Konzepte und das Design einer künftigen eigenständigen Photovoltaikanlage zur Deckung des Energiebedarfs eines neuen geplanten Geschäftskomplexes. Ziel dieser Studie ist die Entwicklung einer Prognosemethode für die Nutzung von Solarenergie für kommerzielle Zwecke. Zunächst wird der jährliche Energiebedarf für die Beleuchtung und Versorgung eines Gewerbekomplexes berechnet. Für die Beleuchtung kommen in der Anlage LED-Leuchten zum Einsatz, um die Energiekosten zu minimieren. Basierend auf der Lastschätzung wird die Anzahl der Solarpaneele auf 6097 prognostiziert, um den Strom für das geplante Gebiet zu erzeugen. Zweitens wurde der wichtige Teil des Designs bei der Schätzung der Sonneneinstrahlung und des optimalen Neigungswinkels eines Photovoltaikmoduls für die maximale Energieausbeute berechnet. In diesem Fall beträgt der optimale Neigungswinkel 49,34°. Auch die Installation von PV-Modulen für einen optimalen und realisierbaren Betrieb ist vorgesehen. Die berechneten Parameter werden in einer Simulation mit einer Software verwendet, um ihre Praxistauglichkeit im Unternehmenskomplex zu testen. Die Technik wird verwendet, um die erzeugte Energiemenge und das Leistungsverhältnis des Systems zu bestimmen. Auch für die Solar-PV-Anlage wird ein Kostenvoranschlag erstellt. Abschließend wird eine Analyse dieser Simulationen und Schätzungen vorgestellt.

Ein Photovoltaik-Solarkraftwerk wandelt Sonnenlicht mithilfe von Photovoltaikzellen, auch PV oder Solarzellen genannt, in Strom um1. Zur Herstellung dieser Zellen werden Siliziumlegierungen verwendet2. Solarenergie wird durch Photovoltaikzellen direkt in Strom umgewandelt. Sie funktionieren nach dem Prinzip der Photovoltaik3. Photonen werden von bestimmten Elementen absorbiert, wenn sie Licht ausgesetzt werden, wodurch freie Elektronen freigesetzt werden. Als photoelektrischer Effekt wird dieses Phänomen bezeichnet4. Der photovoltaische Effekt ist der Prozess der Erzeugung von Gleichstrom mithilfe des Prinzips des photoelektrischen Effekts5.

Basierend auf dem Prinzip des photovoltaischen Effekts entstehen Solarzellen bzw. Photovoltaikzellen6. Sonnenlicht wird von ihnen in Gleichstrom (DC) umgewandelt7. Die von einer Solarzelle erzeugte Strommenge reicht jedoch nicht aus8. Daher bestehen Solarmodule oder Solarpaneele aus mehreren Solarzellen, die auf einem Trägerrahmen montiert und elektrisch miteinander verbunden sind7.

Im Allgemeinen sind Solarmodule in verschiedenen Größen und Leistungen erhältlich, die von mehreren hundert Watt bis zu mehreren Kilowatt reichen9. Während Panels oder Module Strom bei einer bestimmten Spannung liefern, wird der Strom, den sie erzeugen, durch die Intensität des einfallenden Lichts bestimmt10. In den meisten Fällen sind Solarstromanlagen jedoch auch mit Wechselrichtern zur Bereitstellung von Wechselstrom ausgestattet11.

Indien verbraucht etwa 6 % der weltweiten Energie12. Indien verfügt über eine installierte Erzeugungskapazität von 365 GW, davon sind 55,8 % Kohlekraft, 13,7 % Wasserkraft, 10,1 % Windkraft, 8,8 % Solar-PV, 6,8 % Erdgas, Bioenergie und Abfall 2,7 %. 2 % werden mit Atomkraft betrieben, 0,1 % werden mit Öl betrieben13.

Solarenergie macht etwa 8,8 % des erzeugten Stroms aus14. Dies liegt daran, dass Solarkraftwerke nicht in Regionen mit unregelmäßiger Sonneneinstrahlung eingesetzt werden können oder weil für die Gewinnung von Sonnenenergie eine große Fläche erforderlich ist15. In solarreichen Ländern und Regionen ist Strom aus Solarpaneelen jedoch günstiger als kommerziell erzeugter Strom16. In den letzten Jahren hat die Nutzung von Solarenergie in Indien einen exponentiellen Anstieg erlebt17. Es wird erwartet, dass Fortschritte bei der Effizienz von Solarmodulen die Verfügbarkeit von Solarenergie für die Nutzung in Wohn- und Bürogebäuden erleichtern18.

Das vorliegende Projekt konzentriert sich auf die Untersuchung eines energieeffizienten Beleuchtungs- und Versorgungssystems mit LED-Lampen für einen Geschäftskomplex. Der Einsatz von Systemen wie Leuchtdioden (LED) anstelle herkömmlicher Lampen kann den Stromverbrauch senken19. Der Umfang der Arbeit besteht darin, eine effektive Solar-Photovoltaikanlage zu entwerfen, die den gesamten Energiebedarf eines geplanten Geschäftskomplexes decken würde, ohne konventionelle Energiequellen zu verbrauchen.

Ein Blockdiagramm des vorläufigen Prozesses ist in Abb. 1 dargestellt.

Blockdiagramm des Designkonzepts zum vorliegenden Projekt.

Je nach Leistungsbedarf werden mehrere Solarmodule elektrisch zu einem PV-Array verbunden und erzielen so mehr Leistung20. Je nach Einsatzzweck gibt es unterschiedliche Arten von PV-Anlagen:

PV-Direktanlagen

Dieses System liefert die Last nur, wenn die Sonne scheint. Es gibt keine Batterie, da der erzeugte Strom nicht gespeichert wird21. Ein Diagramm des PV-Direktsystems ist in Abb. 2 dargestellt.

Off-Grid-Systeme

Systeme dieser Art werden üblicherweise an Standorten eingesetzt, an denen die Stromversorgung nicht verfügbar oder zuverlässig ist. Für netzunabhängige Solarstromanlagen besteht kein Stromnetzanschluss. Es verfügt über ein Solarpanel-Array, eine Speicherbatterie und einen Wechselrichterkreis21. Ein Diagramm eines netzunabhängigen Systems ist in Abb. 3 dargestellt.

Netzgebundene Systeme

Durch die Netzanbindung kann für diese Solarstromanlagen zusätzliche Energie aus dem Netz bezogen werden. Es kann mit Batterien ausgestattet sein oder auch nicht21. Ein Diagramm eines netzgekoppelten Systems ist in Abb. 4 dargestellt.

PV-Direktanlage22.

Off-Grid-System23.

Netzgebundenes System23.

Der Bau eines Solar-PV-Kraftwerks ist ein komplexer Aufwand, der viel Zeitaufwand und Fachwissen erfordert.

Es kann in folgende Phasen unterteilt werden:

Identifizierung des Standorts.

Bestimmung des Netzanschlusspunktes.

Bauvorbereitende Dokumentation und Verhandlungen.

Aufbau der Infrastruktur, z. B. Straßen, Zäune, Sicherheit usw.

Kauf von Ausrüstung und Logistik.

Installation von Tragkonstruktionen.

Installation der Umspannstation.

Verbindung mit dem Netz.

Überwachung des Systemaufbaus24.

Der vorgeschlagene Grundriss des Gebäudes oder Bauwerks ist in Abb. 5 dargestellt. Er wird anhand der vom Ingenieur oder Architekten bereitgestellten Fundamentplanzeichnungen und Spezifikationen erstellt.

Grundriss (vorgeschlagener Beleuchtungsbereich) des Geschäftskomplexes25.

Derzeit konzentriert sich die Gebäudeplanung auf die Maximierung von Nachhaltigkeit, Umweltauswirkungen und Energieeffizienz. Alle diese Faktoren wirken sich direkt auf die Stromverteilung im Gebäude aus. In der Praxis müssen Elektroingenieure mit Architekten und Maschinenbauingenieuren zusammenarbeiten, um möglichst genaue Schätzungen des Bedarfs zu erhalten.

Der prognostizierte Strombedarf identifiziert die Anforderungen des Gebäudes an die Energieversorgung und -verteilung. Daher ist eine genaue Schätzung der Energiemenge, die für den erfolgreichen Betrieb eines Gebäudes erforderlich ist, ein wesentlicher Schritt bei der Planung und Gestaltung eines Systems. Die im Geschäftskomplex verwendeten Geräte und ihre Nennleistung sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Gesamtlast des geplanten Geschäftskomplexes ist schließlich in Tabelle 2 aufgeführt.

Solar-PV-Systeme müssen darauf ausgelegt sein, wie viel Sonnenlicht zu einem bestimmten Zeitpunkt und an einem bestimmten Ort genutzt werden kann. Sonnenstrahlung (oder Strahlung) und Sonnenisolation sind die beiden vorherrschenden Methoden der Sonnenstrahlung. Die Sonnenstrahlung wird als momentane Leistungsdichte in der Einheit kW/m2 beschrieben. Die Sonneneinstrahlung variiert von 0 kW/m2 in der Nacht bis zu 1 kW/m2 tagsüber27. Standort und lokales Wetter sind ebenfalls entscheidende Faktoren, die die Sonneneinstrahlung beeinflussen. Für die Messungen werden Pyranometer (zur Messung der Globalstrahlung) und Pyrheliometer (zur Messung der Direktstrahlung) verwendet. Diese Daten werden seit über zwei Jahrzehnten an einem etablierten Ort28 gesammelt.

Sonnenscheinrekorder sind auch eine kostengünstige und weniger genaue Methode zur Messung der Sonneneinstrahlung. Sonnenscheinrekorder (auch bekannt als Campbell-Stokes-Rekorder) messen, wie viele Stunden am Tag das Sonnenlicht über einem bestimmten Wert liegt (normalerweise 200 mW/cm2)27. Aus den so erhobenen Daten lässt sich die Sonneneinstrahlung in Abhängigkeit von den gemessenen Sonnenstunden mit einem über mehrere Korrekturfaktoren errechneten Wert28 berechnen. Schließlich können Wolkenbedeckungsdaten, die aus vorhandenen Satellitenbildern gesammelt wurden, zur Schätzung der Sonneneinstrahlung verwendet werden, wie in Abb. 6 dargestellt. Eine Karte der Sonneneinstrahlung von Indien ist in Abb. 6 dargestellt. 29.

Karte der Sonneneinstrahlung von Indien29.

Aus Abb. 5 geht hervor, dass die Sonneneinstrahlung in Kalkutta 3,5 bis 4,0 kWh/m2/Tag beträgt. Die jährlichen vollen Sonnenstunden in Kalkutta betragen 3,5 × 365 = 1227,5 kWh/m2/Jahr. Wenn man davon ausgeht, dass es sich um eine polykristalline Zelle handelt, beträgt der Wirkungsgrad der PV-Zelle 17 %30.

Daher,

Anzahl der Module = \(\frac{914487,8 }{150}\) = 6096,5853 ≃ 6097 Unter Berücksichtigung der Modulleistung beträgt 150 W für jedes Modul31.

Daher würden wir etwa 6097 Panels benötigen, um den geplanten Geschäftskomplex vollständig mit Strom zu versorgen.

Betrachtet man den vertikalen Weg der Meeresoberfläche als Einheit, wird die Weglänge der Sonnenstrahlen durch die Atmosphäre durch die „Luftmasse“32 beschrieben.

Alternativ ist die Luftmasse „m“ das Verhältnis der Weglänge der Sonnenstrahlen durch die Atmosphäre zur Länge des Weges, wenn der Sonnenstand direkt über uns steht (d. h. der Zenitstand)32.

Somit ist m = \(\frac{\mathrm{Die\,Länge\,des\,Weges\,durch\,den\,Strahl\,Strahlung}}{\mathrm{Atmosphärische\,Vertikale \,Pfad\,Länge}}\)

Abbildung 7 zeigt die Sonnenstrahlungsgeometrie und die verschiedenen gebildeten Winkel, die in den nächsten Unterabschnitten erläutert werden.

Geometrie der Sonnenstrahlung32.

Gemäß Abb. 8,

wobei α = Neigungswinkel oder Höhenwinkel, θz = Zenitwinkel.

Richtung des Sonnenstrahls in Bezug auf die Atmosphäre32.

Daher,

Es ist der Winkel zwischen den Sonnenstrahlen und der vertikalen Ebene. Es wird mit „θz“32 bezeichnet.

Gemäß Abb. 8,

Nach Gl. (1) ist die Luftmasse gleich dem Kosekans des Höhenwinkels (α). Daher ist auf Meereshöhe m = 1.

m = 1, wenn die Sonne im Zenit steht (dh über uns).

m = sec θz, wenn m > 3.

m = 0, knapp über der Erdatmosphäre.

Der Breitengrad ist der Winkel, den die Radiallinie bildet, die einen bestimmten Ort mit dem Erdmittelpunkt verbindet. Diese Linie wird auf die Äquatorialebene projiziert, um den Breitengrad des vertikalen Raums auf der Erdoberfläche zu bestimmen32.

Vom Erdmittelpunkt aus ist dies die Gradzahl des Winkels Nord-Süd vom Äquator32. Ein positiver Breitengrad weist auf die nördliche Hemisphäre hin, ein negativer auf die südliche Hemisphäre. Es wird mit ϕL bezeichnet.

Gemäß Abb. 9 ist der Breitengrad der Winkel zwischen der Linie OA und der Projektionslinie OA' auf der Äquatorebene. Punkt A stellt die Position auf der Erdoberfläche dar, Punkt O stellt den Mittelpunkt der Erde dar. Konventionell beträgt der Breitengrad für die Nordhalbkugel +ve.

Breitengrad des Standorts (ϕL), Stundenwinkel (ω) und Deklinationswinkel der Summe (δ)32.

Daher ist ϕL gemäß Abb. 9 ∠AOA'.

Der Deklinationswinkel ist der Winkelabstand der Sonnenstrahlen nördlich (oder südlich) von der Äquatorialebene der Erde. Es wird mit dem Symbol δ32 bezeichnet.

Er kann auch als der Winkel zwischen der Linie, die vom Mittelpunkt der Sonne zum Mittelpunkt der Erde verläuft, und der Projektion dieser Linie auf die Äquatorialebene der Erde definiert werden32. Es ist in Abb. 10 dargestellt.

Deklinationswinkel (δ)32.

Von oben gemessen ist der Deklinationswinkel der Äquatorialebene auf der Nordhalbkugel positiv32. Dies ist die direkte Folge der Neigung und schwankt zwischen 23,5° am 22. Juni und – 23,5° am 22. Dezember. Bei minimaler oder maximaler Deklination erscheint die Sonne in einem Stillstandszustand. Dieser Zustand wird Sonnenwende genannt. Während der Wintersonnenwende würden die Sonnenstrahlen 23,5° südlich des Erdäquators liegen, dh δ beträgt − 23,5°. Während der Sommersonnenwende würden die Sonnenstrahlen 23,5° nördlich des Erdäquators sein, dh δ beträgt 23,5°. Die Variation der Sonnendeklination ist in Abb. 11 dargestellt.

Variation der Sonnendeklination33.

Die Deklination des Winkels kann aus Coopers Näherungsgleichung bestimmt werden.

Dabei ist „n“ der Tag des Jahres, gezählt ab dem 1. Januar.

Der Winkel, um den sich die Erde drehen muss, um den Meridian eines bestimmten Punktes (oder des Beobachterpunkts) direkt auf eine Linie mit den Sonnenstrahlen zu bringen, wird in diesem Moment als Stundenwinkel bezeichnet. Es wird mit ω32 bezeichnet.

Mit anderen Worten, es handelt sich zu jedem Zeitpunkt um die Winkelverschiebung der Sonne in Richtung Osten oder Westen des lokalen Meridians (aufgrund der Rotation der Erde um ihre Achse)32. Der Stundenwinkel (ω) ist in Abb. 12 dargestellt.

Der Stundenwinkel (ω)32.

Laut Abbildung um 06.00 Uhr. ω ist + 90° und am Abend, 18.00 Uhr, ist ω − 90°.

Zum Beispiel beträgt ω um 11:00 Uhr − 15°, um 12:00 Uhr beträgt ω 0° und um 13:00 Uhr beträgt ω 15°. Daher ergibt sich zu jeder vollen Stunde die Differenz oder Addition von 15°.

Wenn man Abb. 11 betrachtet, ist der Stundenwinkel (ω) der in der Äquatorialebene der Erde gemessene Winkel zwischen der Projektion von OA und der Projektion einer Linie vom Mittelpunkt der Sonne zum Mittelpunkt der Erde.

Betrachtet man daher Abb. 12,

Stundenwinkel, ω ist ∠A'OB'.

Der Höhenwinkel gibt an, wie hoch die Sonne am Himmel erscheint. Der Winkel wird zwischen der gedachten Linie zwischen dem Beobachter und der Sonne und der horizontalen Ebene gemessen, auf der der Beobachter steht32. Wenn die Sonne unter den Horizont fällt, ist der Höhenwinkel negativ. Er wird auch als Neigungswinkel und Sonnenhöhenwinkel bezeichnet. Es wird mit „α“ bezeichnet.

Gemäß Abb. 8,

α = Neigungswinkel oder Höhenwinkel = ∠QPS.

Gemäß Abb. 13,

Sonnenneigungswinkel (α), Zenitwinkel (θz) und Sonnenazimutwinkel (rs)32.

α = ∠CAB = Neigungswinkel oder Höhenwinkel.

As (α + θz) = 90° = \(\frac{\uppi }{2}\)

Daher,

Auch hier gilt: θz = \(\frac{\uppi }{2}\) – a.

Der Wert dieses Winkels könnte mithilfe der Breiten- und Längengrade direkt von der Software berechnet werden.

Es ist der Sonnenwinkel auf einer horizontalen Ebene in Grad zwischen der Südlinie und der Projektion der Sonnenstrahlen auf der horizontalen Ebene. Es wird mit rs32 bezeichnet.

Mit anderen Worten handelt es sich um einen horizontalen Winkel, der von Norden zur horizontalen Projektion der Sonnenstrahlen gemessen wird.

Von Süden nach Westen gemessen ist der Sonnenazimutwinkel positiv.

Aus Abb. 13, Sonnenazimutwinkel, ist rs ∠BAS.

AS ist die Ausrichtungslinie im Süden und BA ist die horizontale Projektionslinie des Sonnenstrahls in Richtung Westen.

Daher ist rs ∠BAS.

Der Wert dieses Winkels könnte auch direkt von der Software aus den Breiten- und Längengradwerten berechnet werden.

Es ist der Winkel zwischen den einfallenden Sonnenstrahlen auf der ebenen Fläche und der Normalen auf dieser Fläche. Es wird mit θi32 bezeichnet. Der Einfallswinkel ist in Abb. 14 dargestellt.

Einfallswinkel (θi), Neigungswinkel (β) und Breitengradwinkel (ϕL)32.

Im Allgemeinen kann der Einfallswinkel ausgedrückt werden als:

Es ist der Winkel zwischen der geneigten ebenen Fläche und der Horizontalen. Es wird mit β32 bezeichnet.

Es gilt als positiv für die nach Süden geneigte Fläche und als negativ für die nach Süden geneigte Fläche32.

β ist der Winkel zwischen der geneigten Fläche und der horizontalen Ebene in Bezug auf die Kollektorfläche.

Die Berechnung des Sonnenwinkels für den Standort des Geschäftskomplexes, z. B. Kalkutta (Längengrad beträgt 88,363895° E, Breitengrad beträgt 22,572646° N) zu einem bestimmten Zeitpunkt, z. B. 12:00 Uhr mittags am 18. April 2021, ist erfolgt. Zur Berechnung des Sonnenhöhen- und Azimutwinkels wird die Software Keisan Online Calculator verwendet. Abbildung 15 zeigt die angegebenen Spezifikationen von Kalkutta in Software dargestellt.

Angesichts der Spezifikationen von Kolkata34.

Abbildung 16 zeigt die zeitliche Variation des Sonnenhöhenwinkels in Kalkutta am 18. April 2021. Hier stellt die X-Achse die Zeit und die Y-Achse die Variation des Sonnenhöhenwinkels dar. Aus der Grafik geht hervor, dass der Wert des Höhenwinkels ab 00:00 Uhr stetig von negativ zuzunehmen beginnt, dann gegen 05:00 Uhr positiv wird, dann gegen 11:30 Uhr seinen Höhepunkt erreicht und danach stetig abnimmt werden gegen 18:00 Uhr wieder negativ. Der Sonnenhöhenwinkel gibt an, wie hoch die Sonne am Himmel erscheint. Aus der Grafik lässt sich also schließen, dass die Sonne vor 05:00 Uhr und nach 18:00 Uhr unter dem Horizont steht und um 11:30 Uhr ihren höchsten Stand erreicht. Somit könnte die Sonnenenergie zwischen 05:00 und 18:00 Uhr geerntet werden. Die Werte des Sonnenhöhenwinkels (α) und des Azimutwinkels (rs) eines bestimmten Standorts, hier Kalkutta, und an einem bestimmten Tag, hier dem 18. April 2021, können direkt anhand der Breiten- und Längengrade mit dem Rechner berechnet werden. Die berechneten Werte der Sonnenwinkel sind in Tabelle 3 vorhergesagt.

Grafische Darstellung der Sonnenhöhenwinkel von Kalkutta am 18. April 202134.

Um nun das Leistungsverhältnis der PV-Anlage des Gewerbekomplexes zu ermitteln, werden die bisher berechneten Werte der Sonnenwinkel in die Software PVSyst eingegeben. Die in Betracht gezogene Stadt ist Kolkata, Indien, der Standort des Geschäftskomplexes. Einige der wichtigen Screenshots der Simulation sind wie folgt:

Abbildung 17 zeigt den Neigungswinkel und den Azimutwinkel der Solar-PV-Anlage. Die hier betrachtete Ebene ist eine feststehende geneigte Ebene. Die Optimierung erfolgt im Hinblick auf den jährlichen Strahlungsertrag. Die X-Achse des Diagramms (a) stellt die Ebenenneigung dar, während die X-Achse des Diagramms (b) die Ebenenausrichtung darstellt und die Y-Achse beider Diagramme die jährliche Strahlungsausbeute darstellt. Die aus der Simulation erhaltenen Werte für den Transpositionsfaktor (TF) betragen 0,98, die Verluste gegenüber dem Optimum betragen -8,2 % und die Einstrahlung auf die Kollektorplatte beträgt 1713 kWh/m2.

Neigungswinkel und Azimutwinkel in der Software definieren.

Abbildung 18 stellt in der Eingabe die Gesamtlast des Geschäftskomplexes in einem Jahr dar, die sich auf 1.90.830,760 Kilowattstunden/Jahr beläuft.

Definieren des Gesamtstromverbrauchs in der Software.

Abbildung 19 zeigt die Batteriespezifikationen, die in der Solar-PV-Anlage verwendet werden. Als Akku kommt hier ein regelbarer Lithium-Ionen-Akku zum Einsatz. Die Gesamtzahl. Die Anzahl der hier verwendeten Zellen beträgt 512, davon sind 16 in Reihe und 32 parallel geschaltet.

Definieren des Batteriebedarfs in der Software.

Abbildung 20 definiert die Anzahl der hier verwendeten Solarmodule. Wie zuvor berechnet beträgt die erforderliche Anzahl an Solarmodulen, um den gesamten Energiebedarf des Geschäftskomplexes zu decken, 6097. Hier wurden jedoch 6102 Module berücksichtigt, um die Reihen- und Parallelsymmetrie aufrechtzuerhalten. Es wäre aber auch von Vorteil, da es als Backup dient, wenn ein zusätzlicher Energiebedarf besteht. Von den 6102 Modulen werden 6 Module in Reihe geschaltet und 1017 Module werden in Parallelreihe geschaltet. Außerdem werden die Batteriebetriebsspezifikationen angezeigt, die in der Solar-PV-Anlage verwendet werden. Die Batterie ist bei normaler Raumtemperatur von 24 °C in einem fest klimatisierten Raum zu betreiben. Dies liegt daran, dass die Batterietemperatur entscheidend für die Alterung der Batterie ist.

Definieren der Anzahl der Modulanforderungen in der Software.

Abbildung 21 definiert die Spezifikationen der verwendeten PV-Zellen. Gemäß der Berechnung handelt es sich bei der hier verwendeten PV-Zelle um eine 150 W polykristalline Siliziumzelle. Auch das PV-Array-Design ist hier angegeben. Das Array hätte 41 Stiche und 24 Module in Reihe. Dies geschieht so, dass der Raum optimal genutzt wird, d. h. nur eine minimale Fläche für eine maximale Stromerzeugung genutzt wird. Die Abbildung zeigt auch, dass es sich bei dem im System verwendeten Controller um einen Universalcontroller handelt, der im DC-DC-Wandlermodus arbeitet.

Definieren der Anforderungen an PV-Zellen in der Software.

Abbildung 22 zeigt den Schaltplan der eigenständigen Solar-PV-Anlage für den geplanten Gewerbekomplex.

Schaltplan der PV-Anlage.

Abbildung 23 zeigt die endgültigen softwaregenerierten Ergebnisse für das eigenständige PV-System.

Softwaregenerierter Bericht für ein eigenständiges PV-System.

Betrachtet man das erste Diagramm, 23(a), das tägliche Input/Output-Diagramm, stellt die . Es ist zu beobachten, dass die abgegebene Energie mit zunehmender einfallender Sonnenstrahlung zunimmt.

Die Grafik 23(b) ist die Grafik des Leistungsverhältnisses (PF) und des Solaranteils (SF). Hier stellt die X-Achse das Leistungsverhältnis (PF) und die Y-Achse die Zeit in Monaten dar. Aus der Simulation ergibt sich ein PF-Wert von 0,569 und ein Solaranteil (SF) von 0,740.

Der Graph 23(c) ist die Anordnung der Leistungsverteilung. Die X-Achse stellt die effektive Leistung am Ausgang des Arrays in kW dar und die Y-Achse stellt die effektive Energie am Ausgang des Arrays in kWh dar. Die hier gezeichnete aktuelle Kurve gilt für das gesamte Jahr, vom 1. Januar bis 30. Dezember 2021.

Das Diagramm 23(d) zeigt die Array-Temperatur im Verhältnis zur effektiven Bestrahlungsstärke. Die X-Achse stellt die effektive Bestrahlungsstärke in W/m2 des Arrays in kW dar und die Y-Achse stellt die durchschnittliche Modultemperatur während des Betriebs in °C dar. Sie wird für das gesamte Jahr vom 1. Januar bis 30. Dezember 2021 geschätzt. Aus der Grafik geht hervor, dass die Temperatur des Moduls mit zunehmender Sonneneinstrahlung ansteigt, die Leistung jedoch abnimmt. Die aus der Simulation erhaltenen Parameter sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Jede Energie erzeugende Organisation hat ihre eigenen Kosten pro Stromeinheit. Allerdings ermitteln wir hier den Einheitssatz ohne Berücksichtigung von Belastungen, Kapital und Steuern. Bei der Betrachtung unserer eigenständigen Solar-PV-Anlage für den Geschäftskomplex ist die Aufteilung der Kapitalkosten in Tabelle 5 dargestellt.

Basierend auf den Erkenntnissen dieser Arbeit wird die Machbarkeit des Entwurfs einer eigenständigen Photovoltaikanlage (PV) bewertet, die den gesamten Energiebedarf eines geplanten Geschäftskomplexes decken kann. Es wurde ohne die Unterstützung einer konventionellen Energieversorgung, also eines konventionellen Kraftwerks, durchgeführt.

Der Aufsatz beginnt mit einer kurzen Theorie des Solar-Photovoltaik-Kraftwerks, seines Funktionsprinzips, seiner Anwendung und seines prozentualen Anteils im Energiesektor. Anschließend werden kurz, aber kompakt Beschreibungen verschiedener Solaranlagen und deren Funktionsweise vorgestellt. Auch der Bau einer Solaranlage wird in der Studie thematisiert, da diese eine wichtige Rolle spielen. In der zweiten Phase wird ein typischer Grundriss eines Gewerbekomplexes dargestellt und der jährliche Energiebedarf des Gewerbekomplexes berechnet. Besonderes Augenmerk wurde auf den Einsatz von LED-Leuchten für Beleuchtungszwecke gelegt, da diese eine wichtige Rolle bei der Energieeinsparung spielen. Es enthält auch die Sonneneinstrahlungskarte von Indien. Die entscheidenden Faktoren bei der Auslegung der PV-Anlage sind die Theorie und Berechnung der Sonnenwinkel. Für bestimmte wichtige Anwendungen werden die Eigenschaften der verschiedenen Sonnenwinkel beschrieben. Der berechnete Wert des optimalen Neigungswinkels beträgt 49,3153814° unter Berücksichtigung des Geschäftskomplexes in Kalkutta (Indien). Auch die Simulationstechnik und die Praxistauglichkeit des Systems werden Schritt für Schritt beschrieben. Der Artikel schließt mit einer Kostenschätzung der Solar-PV-Anlage für ein bestimmtes Gebäude.

Die wichtigsten Schlussfolgerungen dieser Studie lauten wie folgt:

Das eigenständige Solar-Photovoltaik-System (PV) wäre in der Lage, jedem einzelnen Gebäude völlige Energieunabhängigkeit zu bieten. Daher kann die nichtkonventionelle Energie (hier Solarenergie) die alternative Beleuchtungs- und Versorgungsquelle für einen Bürokomplex oder ein Wohngebäude sein.

Der Wert des Transpositionsfaktors (0,98) legt die Effizienz des PV-Systems fest, der Wert des Solaranteils (0,740) legt die Effektivität des Systems fest und das Leistungsverhältnis (0,569) zeigt, dass Energieunabhängigkeit in der Zukunft möglich ist. Darüber hinaus könnte auch betont werden, dass mit zunehmender Effizienz der PV-Zellen auch der Wert des Leistungsverhältnisses und des Solaranteils des Systems zunimmt.

Die Kostenschätzung zeigt, dass die Anschaffungs- und Installationskosten einer PV-Anlage für einen typischen Geschäftskomplex wirtschaftlich vertretbar sind.

Der Wartungsaufwand für Solarkraftwerke ist sehr gering und sie können daher überall dort installiert werden, wo ausreichend Sonnenlicht vorhanden ist. Es kann problemlos auf dem Dach von Hochhäusern installiert werden. Daraus lässt sich schließen, dass die durch Solar-PV-Module erzeugte Solarenergie die Energie der Zukunft ist. Dieses System wird die Umweltverschmutzung erheblich reduzieren. Es ist durchaus möglich, sie in einzelnen Gebäuden einzusetzen, um in Zukunft völlige Energieunabhängigkeit zu erreichen.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel [und seinen ergänzenden Informationsdateien] enthalten.

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Referenzen herunterladen

Die Autoren danken dem Leiter der Abteilung Elektrotechnik, Techno Main Salt Lake, Techno India Group, für die Bereitstellung der notwendigen Gelegenheit für dieses Forschungsprojekt. Sie danken auch allen Fakultätsmitgliedern des Fachbereichs für ihre ständige Unterstützung.

Fakultät für Elektrotechnik, Techno Main Salt Lake, Kalkutta, Westbengalen, Indien

Sayan Kumar Nag & Tarun Kumar Gangopadhyay

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Die Autoren bestätigen den Beitrag zum Papier wie folgt: Studienkonzeption und -design: SKN, TKG; Datenerfassung: SKN; Analyse und Interpretation der Ergebnisse: SKN, TKG; Erstellung des Manuskriptentwurfs: SKN Alle Autoren überprüften die Ergebnisse und genehmigten die endgültige Version der Manuskript.

Korrespondenz mit Sayan Kumar Nag.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Nag, SK, Gangopadhyay, TK Entwurf eines LED-Beleuchtungssystems mit solarbetriebenen PV-Zellen für einen geplanten Geschäftskomplex. Sci Rep 12, 13289 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17353-2

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Eingegangen: 3. April 2022

Angenommen: 25. Juli 2022

Veröffentlicht: 02. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17353-2

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