УДК 620.92

Перспективы применения систем ориентации фотоэлектрических модулей на Солнце

Лаврик Александр Юрьевич – ассистент кафедры Общей электротехники Санкт-Петербургского горного университета императрицы Екатерины II.

Аннотация: В статье представлен краткий обзор существующих систем повышения эффективности фотоэлектрических станций за счёт ориентации фотоэлектрический модулей на Солнце. Моделирование выработки фотоэлектрических станций при помощи данных реанализа метеорологической информации показало существенный потенциал увеличения коэффициента использования установленной мощности станций при реализации системы ориентации панелей на Солнце. В отсутствии широкого опыта применения солнечных трекеров в условиях России подчёркивается необходимость проведения по меньшей мере укрупнённой технико-экономической оценки применения систем слежения при реализации новых проектов фотоэлектрических систем.

Ключевые слова: солнечная электростанция, система слежения, фотоэлектрические панели, пневматический трекер, электрический привод, коэффициент использования установленной мощности.

Введение

С каждым годом в структуре мировой и российской энергетики всё более заметное место занимает возобновляемая энергетика [1, 2]. К наиболее распространенным видам электростанций, работающих на возобновляемых энергоресурсах, относятся гидроэлектростанции, фотоэлектрические станции (ФЭС), ветроэлектрические станции, геотермальные электростанции и другие виды станций [3]. По состоянию на начало 2023 г. установленная мощность работающих в составе Единой энергосистемы России ФЭС достигла 2115,5 МВт, или 0,85% от суммарной установленной мощности электростанций [4]. Вместе с тем, практически отсутствует отечественный опыт использования ФЭС с интегрированными системами ориентации фотоэлектрических панелей на Солнце. В этой связи особенно актуальными являются исследования, направленные на повышение коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) ФЭС за счёт применения солнечных трекеров различных конструкций.

Системы ориентации фотоэлектрических панелей

Одним из способов повышения эффективности ФЭС является максимизация количества улавливаемого фотоэлектрическими панелями солнечного излучения [5]. Известны примеры, когда для более стабильного производства электроэнергии в течение светового дня фотоэлектрические панели устанавливаются с ориентацией на различные точки небосвода. Такую конфигурацию имеет ФЭС мощностью 1,5 МВт у населённого пункта Мома (Хонуу) в Якутии, где 40% ориентированы на юго-запад, 40% – на юго-восток, и 20% – на юг. Очевидно, такое решение не приводит к повышению КИУМ ФЭС, и направлено на более равномерное распределение генерации в течение суток. Действительно повысить КИУМ ФЭС можно за счет применения солнечных трекеров.

Солнечные трекеры – специальные устройства для ориентации фотоэлектрических панелей на Солнце. Солнечные трекеры могут иметь привод различного типа. Наиболее часто применяется электрический привод. Электрические трекеры разрабатываются компаниями Nextracker (порядка 29% поставок солнечных трекеров на 2019 г. [6]), Array Techologies, PV Hardware, Arctech Solar, Soltec и другими мировыми лидерами в области систем слежения за ФЭС. Для построения электрических солнечных трекеров целесообразно использовать низкооборотные моторы постоянного тока. Необходимо отметить, что для ориентации фотоэлектрических панелей на Солнце могут использоваться и приводы других типов, в частности – пневматические и гидравлические системы. Их применение должно быть обусловлено наличием специфических условий, а потому такие проекты в основном существуют в качестве лабораторных приложений, не реализованных в коммерческих ФЭС.

По принципе слежения выделяют одноосные и двухосные солнечные трекеры. В составе крупных ФЭС, как правило, используются одноосные солнечные трекеры, позволяющие добиться оптимального соотношения между затратами на интеграцию, надёжностью и полученным эффектом. В небольших фотоэлектрических системах могут использоваться одно- и двухосевые солнечные трекеры. 

Целесообразно выделить достоинства и недостатки применения солнечных трекеров. Основным достоинством является повышение КИУМ ФЭС и, соответственно, увеличение количества произведённой электроэнергии и стабильности генерации ФЭС. К недостаткам следует отнести: снижение надёжности системы; увеличение капитальных и эксплуатационных затрат; ограниченность сфер использования (например, сложность интеграции для фотоэлектрических панелей скатной крыши); затенение фотоэлектрическими панелями друг друга при повороте.

Моделирование выработки фотоэлектрической станции

Для оценки эффективности функционирования как действующих, так и проектируемых ФЭС, необходимо осуществлять моделирование выработки ФЭС. В качестве исходных данных для модели выступают временные ряды падающей солнечной радиации, а также, при наличии, информация о температуре и скорости ветра [7]. Широкие возможности открывают также и модели реанализа метеорологических данных, позволяющие получить временные ряды метеорологической информации для любой точки на планете. Например, с помощью ресурса [8] можно получить доступ не только к метеоданным для интересующей локации, но и смоделировать почасовую выработку на протяжении года для ФЭС или ветроэлектрической станции. В качестве примера в таблице 1 показаны результаты моделирования КИУМ для ФЭС в районе населённого пункта Мома (Хонуу) в Якутии при различных конфигурациях системы с точки зрения ориентации фотоэлектрических панелей на Солнце.

Таблица 1. Расчётные значения КИУМ для ФЭС в районе населённого пункта Мома (Хонуу) при отсутствии и наличии системы слежения за Солнцем.

На рисунке 1 показан годовой ход среднемесячного значения КИУМ для ФЭС, расположенной в районе населённого пункта Мома (Хонуу) в Якутии, при различных конфигурациях системы.

Рисунок 1. Годовой ход среднемесячного значения КИУМ ФЭС.

Анализ данных, представленных в таблице 1 и на рисунке 1, показывает, что основная часть эффекта от применения солнечного трекера достигается за счёт поворота фотоэлектрических панелей в азимутальной плоскости (одноосевые трекеры). В это же время разница между КИУМ, достигаемым при использовании одноосевого трекера и КИУМ, достигаемым при использовании двухосевого трекера, для рассмотренного примера невелика.

Вывод

Большая часть функционирующих и проектируемых ФЭС не оснащается трекерами, позволяющими повысить эффективность использования солнечной генерации. Вместе с тем, использование системы ориентации фотоэлектрических панелей только лишь в одной оси уже позволяет существенно увеличить КИУМ ФЭС. С учётом широкого многообразия разработанных солнечных трекеров представляется актуальной задачей продолжение исследований в области ориентирования фотоэлектрических панелей, разработка, апробация и внедрение таких систем в коммерческие системы производства электроэнергии с помощью ФЭС.

Список литературы

1. Шпенст В. А., Бельский А. А., Орел Е. А. Повышение энергоэффективности автономного электротехнического комплекса с возобновляемыми источниками энергии на основании адаптивной регулировки режимов работы // Записки Горного института. – 2023. – №. 261. – С. 479-492.
2. Жуковский Ю. Л., Лаврик А. Ю., Семенюк А. В., Васильков О. С. Потенциал управления электропотреблением в условиях изолированной энергосистемы удаленного населенного пункта // Устойчивое развитие горных территорий. – 2020. – Т. 12. – №. 4. – С. 46.
3. Технико-экономический анализ применения ветро-дизельных электростанций для электроснабжения энергоудалённых поселений / Е.Н. Соснина, А.В. Шалухо, И.А. Липужин и др. // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2016. – №1 (112). – С. 65-72.
4. Отчет о функционировании ЕЭС России в 2022 году: сайт. – Москва, 2023. – URL: https://www.so-ups.ru/fileadmin/files/company/reports/disclosure/2023/ups_reppdf (дата обращения: 01.11.2023). – Режим доступа: свободный. – Текст: электронный.
5. Даниэль Г. Д., Яковлева Э. В., Шклярский Я. Э. Математическое моделирование электротехнического комплекса с фотоэлектрическими модулями в климатических условиях Республики Куба // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2020. – №. 5. – С. 422-431.
6. Шклярский Я. Э. и др. Влияние солнечной энергетики на развитие горнодобывающей отрасли в Республике Куба // Записки Горного института. – 2021. – Т. 249. – С. 427-440.
7. Обухов С. Г., Плотников И. А. Имитационная модель режимов работы автономной фотоэлектрической станции с учетом реальных условий эксплуатации // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2017. – Т. 328. – №. 6. – С. 38-51.
8. Renewables.ninja: сайт. – URL: https://www.renewables.ninja (дата обращения: свободный – (Дата обращения: 01.11.2023). – Режим доступа: для зарегистрир. пользователей. – Текст: электронный.