Нарны фотоцахилгаан үүсгүүрт чингэлэгт хөргүүрийн судалгаа хөгжүүлэлт

Research and Development of Solar PV driven freezing container storage system

Bat-Erdene Bayandelger¹, Erdenesuvd Otgonjanchiv¹, Amarbayar Adiyabat¹, Chuluun Togtokh²,    Shinya Nakagawa³, Tatsuya Nakamura³, Masataka Watanabe⁴

¹ Renewable Energy Laboratory, School of Engineering and Applied Science, NUM (National University of Mongolia), Ulaanbaatar, 14201, Mongolia; ² Sustainable Development Institute, NUM, Ulaanbaatar, 14201, Mongolia,  ³ Industrial Plant Division, Hitachi Company,  Tokyo, 1088282, Japan,  ⁴Chuo University, Tokyo, Japan  

Нарны фотоцахилгаан үүсгүүрт чингэлэгт хөргүүрийн судалгаа хөгжүүлэлт

Б.Бат-Эрдэнэ¹, О.Эрдэнэсувд¹, А.Амарбаяр¹, Т.Чулуун² , Накагава Шиня³, Накамүра Тацүя³, Ватанабэ Масатака⁴

¹МУИС, Хэрэглээний Шинжлэх Ухаан, Инженерчлэлийн Сургууль, СЭХ лабо, ² Тогтвортой Хөгжлийн Хүрээлэн, МУИС,

 ³ Хитачи компани, Аж Үйлдвэрийн Хэлтэс, ⁴ Чьюо Их Сургууль, Токио хот, Япон улс

Abstract

Recently, Greenhouse gases, emissions trading and production and application of kindly environment are challenging the world since 17^th Kyoto protocol. Our main purpose is to research and develop the freezing system with renewable energy for storing livestock products with high quality in long term by adapting to condition of Mongolia as well as to establish distribution network freezing systems through nationwide. This paper presents some impacts of solar PV driven freezing container storage system by observing collected data during operation period. Main influence of freezing storage efficiency was ambient temperature, solar radiation heating top and south surface of freezer was then. 3kW solar PV production was mostly depend on ice and snow cover of the array, shading of cloud and also ambient temperature. Freezer system were just consumed 53% of produced power of solar PV system, rest of energy supplied to the grid network, and contributing power rate of the solar PV system to the freezer load were 33%. In further, to determine the PR of grid connected solar PV system and COP of freezing container storage system and utilizing latent heat material for cold storage and geothermal storage and cooling compressor air will be effective way to improve the performance of the system.

Keywords: Impacts of operation; Freezing storage; Grid connected (PV) system; Solar power rate

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1. Удиртгал

Дэлхийн дулаарлаас сэргийлэх 1997 оны Кёотогийн протокол батлагдсанаас хойш хөгжингүй орнууд хүрээлэн буй орчиндоо элэгтэй үйлдвэрлэл, менежментэд урьдаас илүү анхаарах болоод байна. Кёотогий протоколийн 17-р зүйлд заагдсан “Хүлэмжийн хийг ялгаруулах эрх”-ийн арилжаа (ET) хөгжиж байна. Дээрх зорилгын хүрээнд, энэхүү хөргүүрийн систем нь уламжлалт нүүдлийн МАА-н соёлыг хадгалж, бэлчээрийн даацыг тэнцвэржүүлэн, ногоон бүрхүүлийн хэмжээг сайжруулна. Мөн ган, зуд гэх мэт малчдад хохиролтой малын тоо толгойн хорогдол, эрсдэлийг бууруулж, орон нутгийн онцлог бүхий махны амт, чанарыг алдагдуулалгүй удаан хугацаанд найдвартай хадгалж, махны үнийн хөөрөгдөл, огцом өөрчлөлтийг саармагжуулах олон давуу талтай.

Монгол улсын ногоон хөгжлийн бодлого, СЭХ-ний үндэсний хөтөлбөр хэрэгжилт, малчин айл өрхийн эдийн засагт эерэгээр нөлөөлөх болно. Дэлхийн орчин үеийн технологийг амжилттай нэвтэрүүлэхэд, улс орныхоо цаг уур, онцлогт тохируулж тухайн төхөөрөмжийг өндөр үр ашигтай ашиглах нь чухал юм. Туршилтын чингэлэгт хөргүүр нь сүлжээнд холболттой НФЦҮ-ээс эрчим хүчээр хангагдаж, цахилгаан эрчим хүчийг хүнсний бүтээгдэхүүн хөргөхийн тулд карногийн циклийг ашигладаг.

Энэхүү судалгааны ажилын зорилго нь НФЦҮ-т чингэлэгт хөргүүрийн ажиллагааны туршид бүтээмжид нөлөөлж байгаа гол хүчин зүйлүүдийг тодорхойлох юм. Эрс тэс уур амьсгалтай, нарны шууд цацраг их буюу цэлмэг өдрийн тоо олон, өвлийн саруудад орчины температур бага зэрэг монгол орны үндсэн хүчин зүйлд энэхүү систем нь олон жил, найдвартай ажиллах эсэх нь туршилт, ажиглалтаар мэдэгдэх юм. Ажиглалтыг хялбарчлахын тулд, сүлжээнд холбогдсон НФЦҮ-тэй чингэлэгт хөргүүрийн систем нь эрчим хүч хэрэглэгчийн хувьд чингэлэгт хөргүүрийн систем, эрчим хүчний үүсгүүрийн хувьд сүлжээнд холболттой НФЦҮ-ийн систем гэж тус тус дэд системүүдэд задалж болно.

Сүлжээнд холболттой НФЦҮ-ийн систем нь зөвхөн өдрийн цагт буюу нартай үед эрчим хүч үйлдвэрлэж, үйлдвэрлэсэн эрчим хүчээ төвийн эрчим хүчний сүлжээнд нийлүүлдэг. Өөрөөр хэлбэл, хэрэв цахилгаан ачаалал НФЦҮ-ийн үйлдвэрлэсэн эрчим хүчний чадлаас их бол, үлдсэн хэсгийг төвийн эрчим хүчнээс авдаг. НФЦҮ-ийн үйлдвэрлэсэн эрчим хүч нь ачаалалаасаа давсан тохиолдолд, илүүдэл эрчим хүчийг төвийн эрчим хүчний сүлжээнд нийлүүлдэг. Туршилтын систем нь 2015 оны 8 сараас хэмжилтийг эхлүүлж, минут тутамд 7 сарын турш хэмжиж байна. Энэ нь НФЦҮ-ийн нийт үйлдвэрлэсэн эрчим хүч, чингэлэгт хөргүүрийн нийт ачаалалд СЭХ-ний эзлэх хувь, төвийн эрчим хүчний сүлжээнд нийлүүлсэн эрчим хүчний хэмжээ зэргийг нарийн тогтоох боломжтой учир дурьдсан үзүүлэлтүүдийг тооцож гаргав.

2. Судалгааны арга зүй

Судалгааны объект нь Улаанбаатар хотоос 47км зайд МУИС-ийн Өвөрзайсан дахь судалгааны талбар дээр байрлах 20 feet-ийн хөргөлтийн зориулалтай чингэлэг, 3120Вт-ын нарны зай хураагуур, сүлжээнд холбогддог инвертер, 13кВт-ын нөөц тэжээлийн зориулалтай дизель-цахилгаан үүсгүүр, мэдээлэл цуглуулах систем, хэмжилтийн мэдрэгчүүд  зэргээс бүрдэнэ.  Зураг 1-д үзүүлсэн судалгааны объектын ерөнхий схемээс харахад чингэлэгт хөргүүрийн дотор 27 цэгт, гадна 3 цэгт, техникийн өрөөнд 2 цэгт, гадна орчинд 1 цэгт, нарны зайн дэлгэцийн ард 1 цэгт тус тус температурын хэмжилт, 45 хэмийн налуу гадарга дээрх нарны нийлбэр цацраг, Чингэлэгт хөргүүрийн ачаалал, НФЦҮ-ийн инвертерийн гаралт, дизель генераторын гаралтын чадал болон төвийн ЭХ-ээс ашиглаж байгаа эрчим хүчний хэмжээг 1 минут бүрт автоматаар хэмжин хадгалж байна.

Зураг 1. Туршилтын СЭХ-ний үүсгүүртэй чингэлэгт хөргүүрийн системийн ерөнхий схем

Туршилтын системд хэмжилт хийх үед, дэд станцад засвар үйлчилгээ хийх, эрчим хүч тасалдах, хэмжилтийн төхөөрөмж эвдрэх зэрэг хэмжилт тасалдах тохиолдолууд хэд хэд гарсан. НФЦҮ-ийн систем, чингэлэгт хөргүүрийн бүтээмжийг үнэн зөв тооцоолохын тулд дээрх нөхцөлүүдийг хасаж, тооцоолсон. Энэ нь СЭХ-ээс чингэлэгт хөргүүрийн хэрэглэсэн цахилгаан эрчим хүчний хэмжээ, СЭХ-ний ашигтай эрчим хүчний хэмжээ зэргийг тоогоор илэрхийлэх нь бодитой биш болгож байсан тул хувиар илэрхийлсэн.

 3. Үр дүн ба хэлэлцүүлэг

                   Чингэлэгт хөргүүрийн эрчим хүчний ачаалалд нөлөөлөх үндсэн хүчин зүйл нь орчины агаарын температур юм. Хөргөгчний дотор температурыг -20С-д байлгахын тулд, ачаалал нь 15кВц/өдөр-өөс 35кВтц/өдөр-ийн хооронд хэлбэлзэж байгаа нь орчны агаарын температур, нарны цацрагын хэмжээ зэргээс хамаарна. Нийт ажилласан хугацаанд хөргөгчний дундаж ачаалал 21кВтц/өдөр байна (Зураг.3). Чингэлэгт хөргүүрийн дээд болон урд хэсэгт нар тусч, халалт үүссэнээр чингэлэгт хөргүүрийн эрчим хүчний зарцуулалтанд тодорхой хэмжээгээр нөлөөлж байгааг Зураг.1-д хөргүүрийн урд талын гадаргуугын температур илэрхийлж байна. Хүнсний бүтээгдхүүн болон махыг -10С-аас доош нөхцөлд хадгалах тохиромжтой байдаг.  Монгол орны нөхцөлд 12, 1, 2 саруудад орчны дундаж температур -10С-аас -20С-ын хооронд байгаа тул чингэлэгт хөргүүрийг ажиллуулахгүйгээр өвлийн хүйтэн нь температурыг ашиглах нь эрчим хүчний хэмнэлт, тоног төхөөрөмжийн наслалтыг уртасгана. Чингэлэгт хөргүүрийн технологийн шийдлээс хамаарсан Defrost буюу цантахаас сэргийлсэн технологи нь зарим тохиолдолд эрчим хүчний зарцуулалтыг ихэсгэж байгааг цагийн ачааллын зураг.2-оос харж болно.

Зураг 2. Чингэлэгт хөргүүрийн цагийн ачаалал болон орчны температурын хамаарал

Зураг 3. Чингэлэгт хөргүүрийн өдрийн ачаалал болон орчны температурын хамаарал

                  Цагийн ачааллын графикаас харахад, орчины агаарын температур -10^oС-аас -20^oС-ийн хооронд, хөргөгчний дотор температурын тохиргоо -20^oС-д байх үед чингэлэгт хөргүүрийн удирдлага амралтын горим(standby)-оор ажиллаж байна. Хэрэв орчны агаарын температур ихсэж, хүйтний ачаалал нэмэгдвэл, чингэлэгт хөргүүрийн эрчим хүчний ачаалал үргэлжилсэн горимд ажиллана.

Чингэлэгт хөргүүр нь нийт ачааллынхаа 33%-ийг СЭХ-ний үүсгүүрээс үлдсэн хэсгийг төвийн эрчим хүчний сүлжээнээс авч байна. Ачаалалд СЭХ-ний эзлэх хувь нь нарны цацрагын хэмжээ , гийгүүлэх хугацаа, орчины температур зэргээс хамаардаг. 11 сард СЭХ-ээс дундажаар 29% байхад 2-р сард 38% тус тус байв.

Зураг 4. НФЦҮ-тэй Чингэлэгт хөргүүрийн цагийн ажиллагааны горим, орчны температурын хамаарал

Зураг 4-өөс үзэхэд, орчны агаарын температур, хөргүүрийн гадаргууг халаах нарны цацраг нэмэгдэн, чингэлэгт хөргүүрийн эрчим хүчний зарцуулалт огцом ихэсдэг онцлогтой дээрх ачаалалд НФЦҮ-ийн системийг эрчим хүчний хангамжаар сонгох нь оновчтой шийдэл болжээ. 

Зураг 5. Сүлжээнд холбогдсон 3кВт-ын НФЦҮ-тэй Чингэлэгт хөргүүрийн өдрийн ажиллагааны горим, СЭХ-ний ашигласан болон ачаалал дахь хувь

Цаашид, НЗ хураагуурын А.Ү.К болон Чингэлэгт хөргүүрийн бүтээмжийг нарийвчилсан багажаар хэмжиж, НЗ дээрх, утасны, инвертер дээрх алдагдалуудыг тодорхойлох нь чухал юм. Мөн, чингэлэгт хөргүүрийн дээд болон урд хэсэгт халалт үүсэхээс сэргийлэх халхавч байрлуулан туршилт хийх.

Хөргүүрийн компрессорын агаар солилцох хэсэгт газрын гүний болон усны температурыг ашиглаж, дулаан солилцуулан, А.Ү.К-ийг тодорхойлж харьцуулан судлах төлөвлөгөөтай байна. СЭХ-ээс ашиглагдаагүй 47%-ийн эрчим хүчий бүрэн ашиглахын тулд нам температурт хайлдаг (latent heat) материалыг хүйтний хуримтлуураар, цэнэг хураагуур (батерей)-г шууд ашиглах зэргээр СЭХ-ний үүсгүүртэй чингэлэгт хөргүүрийг эдийн засгийн хувьд хэмнэлттэй, байгаль орчинд ээлтэй технологоор, өндөр А.Ү.К-тойгоор загварчлан судалж хөгжүүлэх нь чухал юм.  

4. Дүгнэлт

Чингэлэгт хөргүүрийн эрчим хүчний зарцуулалт нь орчины агаарын температураас ихээнхэн хамааралтай бөгөөд дээрх тохиолдолд НФЦҮ-ийн системийг ЭХ-ний үүсгүүрээр ашиглах нь оновчтой шийдэл болохыг тус туршилтаас нотлов.

Чингэлэгт хөргүүр нь нийт ачааллынхаа 33%-ийг СЭХ-ний үүсгүүрээс үлдсэн хэсгийг төвийн эрчим хүчний сүлжээнээс авч байна. Харин, Сүлжээнд холбогдсон 3кВт-ын НФЦҮ-ийн үйлдвэрлэсэн нийт эрчим хүчний 53%-ийг Чингэлэгт хөргүүр өөртөө хэрэглэж үлдсэн хэсгийг төвийн эрчим хүчинд нийлүүлсэн байна.

Цаашид, СЭХ-ний ашиглагдахгүй байгаа эрчим хүчийг бүрэн ашиглах тал дээр анхаарал хандуулж ажиллах нь зүйтэй.

5. Талархал

                Тус төслийг МУИС-ийн Тогтвортой Хөгжлийн Хүрээлэн ба ХШУИС нь Японы Чьюо Их сургууль, Хитачи компанитай хамтран Монгол-Японы засгийн газар хэрэгжүүлж буй ХКМ-ын хүрээнд гүйцэтгэж байна. Санхүүжүүлэгч байгууллага Японы Байгаль орчны яаманд талархал илэрхийлье.

Товчилсон үгсийн жагсаалт

А.Ү.К	: Ашиг Үйлийн Коэффициент
НФЦҮ	: Нарны ФотоЦахилгаан Үүсгүүр
НЗ	: Нарны зай
СЭХ	: Сэргээгдэх Эрчим Хүч
COP	: Coefficient of Performance
ET	: Emissions Trading
PV	: Photo Voltaic
PR	: Performance Ratio

Ишлэл

A.Amarbayar and B.Bat-Erdene, The Performance Analysis of Grid-PV System in Mongolia, Solar World Congress-2015, Daegu, Korea, (2015).

B.Marion, J. Adelstein and K. Boyle Performance Parameters for Grid-Connected PV Systems, 31^st IEEE Photovoltaics Specialists Conference and Exhibition, Lake Buena Vista, Florida, (2005).

W.Pridasawas Solar-Driven Refrigeration Systems with Focus on the Ejector Cycle, Doctoral Thesis, Royal Institute of Technology, KTH, Stockholm, (2006).

D.Otgonbayar, G.Batsukh and A.Amarbayar Theoretical and Experimental evaluation of PV module for the Gobi region of Mongolia, ANRET-2007, Ulaanbaatar,( 2007)