Солнечный трекер с системой самораскрытия

Солнечная энергетика стремительно развивается по всему миру. Установленная мощность солнечных электростанций на 2018 год достигает 505 ГВт [1]. В течение того же года 45 ГВт генерирующих мощностей было установлено в Китае, 10,6 ГВт – в США, 6,5 ГВт – в Японии, 3 ГВт – в Германии – именно эти страны наиболее активно развивают солнечную энергетику.

С 2017 года корпорация Google LLC полностью обеспечивает свои потребности энергией от возобновляемых источников. На данный момент компания закупила около 26 МВт·ч возобновляемой энергии [2]. Корпорация Apple полностью обеспечивает Apple Park возобновляемой энергией с 2017 года. В 2018 году их дата-центры потребили 1,3 млн кВт·ч экологически чистой энергии [3].

Крупнейшие нефтегазовые компании Shell и British Petroleum инвестируют в развитие солнечных и ветряных электростанций, а также разрабатывают сценарии низкоуглеродного будущего энергетики [4, 5].

Такая тенденция объясняется следующими недостатками ископаемых источников:

• •    Исчерпаемость. Изучение данной проблемы весьма затруднено: каждый год открываются новые залежи, но вместе с этим растет и потребление. В конечном итоге добыча ископаемых источников энергии становится все более затруднитель-

  ной, а их количество ограничено. Согласно [6], разведанных запасов на 2018 год, при сохранении потребления, хватит лишь на 50 лет.

• •    Цена. Стоимость ветро- и солнечных электрогенераторов на современном рынке снижается, как следствие, «зеленый» кВт·ч в ряде стран обходится потребителям на уровне обычного [7, 8].

• •    Парниковые газы. Потребление энергии растет с каждым годом, а значит, увеличиваются и выбросы в атмосферу. По данным [9] за 2018 год прирост CO 2 составил 2 %, что эквивалентно 650 млн тонн. О вреде парниковых газов известно уже давно, в частности, они способствуют задержанию тепла в атмосфере и повышают среднюю температуру на Земле. Изменение климата на доли градуса влечет за собой нарушения в поведении флоры и фауны, что, в свою очередь, приводит к экологическим катастрофам [10].

Широкое применение традиционного топлива обусловлено тем, что процесс добычи, переработки и использования уже давно изучен и налажен. Благодаря техническому прогрессу генераторы на основе ВИЭ могут составить ископаемым источникам энергии конкуренцию на рынке и простимулировать совершенствование различных технологий. Нефтяникам приходится разрабатывать более экологичные методы добычи нефти и утилизации попутных газов [11–13]. Наряду с этим ведутся работы в области повышения КПД ветро- и солнечных электрогенераторов.

Система слежения за Солнцеми ветровые нагрузки

Возможным решением для наиболее рационального использования солнечных модулей является применение систем слежения за Солнцем (ССС). ССС предназначены для сохранения перпендикулярности падения солнечных лучей на поверхность солнечных модулей в течение дня, что способствует максимальному сбору энергии. Невыполнение этого условия приводит к уменьшению эффективной площади и дополнительным отражениям. Коэффициент отражения растет при наклоне луча, так как меняется показатель преломления. Годовое изменение азимута и высоты над горизонтом для г. Челябинска (рис. 1, 2) происходит в широком диапазоне углов. Таким образом, статичные панели, находящиеся под оптимальным углом, обеспечивают максимум мощности лишь в полдень.

Произведем оценку увеличения вырабатываемой мощности при применении системы отслеживания.

Мощность СЭС в зависимости от отклонения падающих лучей от нормали:

W ( i ) = W o ■ cos( i ), (1) где W ₀ – номинальная мощность солнечной панели, при нулевом отклонении от перпендикуляра; i – угол отклонения от нормали.

Дневное изменение азимута Солнца в среднем за год равняется 180 градусам. Рассчитаем суммарную выработку мощности в течение дня для неподвижных панелей:

n /2

A cmam = ^{2 W} 0 J ^COs( i ) di =

П

= 2 W o(sin — - sin0) = 2 W o.                 (2)

Система с трекингом обеспечивает практически нулевое отклонение, следовательно, i = 0, то- гда суммарная мощность равна n/2

А ориент = 2 W o J di = 2 W o I-- o l = n W o. 0,              < ²     ^

Сравним полученные результаты:

A ориент

A стат

= 1,57.

Таким образом, прирост в выработке при идеальных условиях составляет 57 %. Учитывая затраты энергии на работу приводов и потери в цепи и при затенении в реальности, данный показатель будет ниже. Существующие исследования показывают прирост в производительности до 43 % летом и 10–20 % зимой [14–16]. Основное повышение производительности наблюдается в утренние и вечерние часы (рис. 3).

Рис. 1. Годовое изменение азимута

Рис. 2. Годовое изменение высоты над горизонтом

Рис. 3. Различие в производительности системы с трекингом (красный) и без него (синий)

Таблица 1

Нормативное значение ветрового давления, w 0

Ветровые районы России	Ia	I	II	III	IV	V	VI	VII
w 0, кПа (кгс/м2)	0,17	0,23	0,30	0,38	0,48	0,60	0,73	0,85
	(17)	(23)	(30)	(38)	(48)	(60)	(73)	(85)

Таблица 2

Нормативные значения коэффициента k

Высота h , м	Коэффициент k для типов местности
	А	В	С
≤ 5	0,75	0,5	0,4
10	1	0,65	0,4
20	1,25	0,85	0,55
40	1,5	1,1	0,8
60	1,7	1,3	1

Системы слежения за Солнцем были бы повсеместно распространены, если бы не следующие недостатки:

• •    Высокая цена. С каждым годом данные устройства становятся дешевле благодаря развитию мультифункциональных контроллеров с доступной ценой и технологий производства приводов.

• •    Большое занимаемое пространство. Так как панели находятся в движении, им необходима большая площадь, для того чтобы не соприкасаться с соседними трекерами и не затенять их.

• •    Высокая парусность. Парусность характеризует способность объекта улавливать кинетическую энергию потоков воздуха. Чтобы оценить силу, воздействующую на поверхность солнечных панелей, произведем расчеты ветровых нагрузок.

Ветровая нагрузка представлена двумя основными составляющими: средней и пульсационной. Согласно [17] при расчете сооружений высотой меньше 40 метров пульсационную часть нагрузки можно не учитывать.

Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки wm на высоте h от уровня земли определяют по формуле wm = w0 ■ k ■ c , (5)

где w ₀ – нормативное значение давления ветра (табл. 1); к - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте; c – аэродинамический коэффициент.

Коэффициент k определяется по табл. 2 исходя от типа местности. Существуют следующие типы местности:

A – открытый берег моря, озера, водохранилища либо пустыня, степь, лесостепь и тундра;

B – территории небольших городов, леса и другие местности, равномерно покрытые препятствиями, высота которых не более 10 метров;

C – большие города с высотой зданий не менее 25 метров.

Для расчета был выбран тип местности А как обладающий самым сильным воздействием ветра.

Нормативное значение коэффициента k взято из табл. 2 для высоты установки менее 5 метров.

Аэродинамический коэффициент c для обособленных плоских сплошных конструкций, расположенных с наветренной стороны, принят равным 0,8.

В результате подстановки данных в формулу (5) было получено значение w_m = 28,8 кгс/м². Современные солнечные трекеры могут нести на себе солнечные панели с суммарной площадью до 10 м². Таким образом, ветровые нагрузки достигают значительных величин в районах с открытой местностью, а в случае штормов могут возрастать.

Известно множество случаев уничтожения солнечных электростанций ураганами и торнадо. Ураган Мария (2017) нанес огромный ущерб экономике Пуэрто-Рико, главным образом нарушив электрогенерацию и электроснабжение. Солнечная энергетика, одна из наиболее динамично развивающихся отраслей энергетики в этой стране, также пострадала от стихийного бедствия [18].

В США с 2000 года произошло множество сильных штормов и тропических циклонов [19]. Крупнейший экономический ущерб, нанесённый ураганом Катрина (2005), оценивается в 170 млрд долларов, ураган Harvey (2017) – 130 млрд долларов, ураган Мария (2017) – 93,6 млрд долларов.

Описание и принцип действия солнечного трекера с системой самораскрытия

Для сохранения солнечного трекера от критических повреждений можно прибегнуть к усилению конструкции или использованию особо прочных материалов, что приведет к значительному удорожанию установки. Другим выходом из ситуации может служить специальный тип солнечного трекера, способного получать информацию о приближающихся стихийных бедствиях от ближайших метеостанций либо от локального прибора и в случае штормовых предупреждений забла-

Рис. 4. Элементы солнечного трекера с системой самораскрытия

Рис. 5. Мобильный самораскрывающийся солнечный трекер

гов рем е нн о п роиз в од ить с ве ртыв а н ие уста новки в защитный водонепроницаемый короб.

С истем а с а м ора с крытия п ре дс та в ляе т с обо й комп л е кс при в одов и направ л яющи х , у п ра в л яе м ы х контролл е ром тре ке ра . Р а с с м отрим при нц ип ра б оты при помощи рис. 4.

Г е не рир у юща я э л е к троэне ргию пов е рхнос ть сос тоит и з це н тра л ь ного с е гм е нта и дву х ств орок из сол нечн ых п а н е ле й c п р ор езин е н н ы м и к р а я ми 1 . В соединениях сегментов 2 расп о ло жен ы д ви г а тели , п р о и зво д я щ и е вр ащ е н и е б о к о в ы х сег мен т о в от 0 до 18 0 г р ад у со в. П р и в о д ы г ор и зо н т аль н о г о и вертикального наведения 3 о су щ ест в ля ю т с леж е ни е за Со лн ц ем. П лат ф о р м а и ст о й ки 4 несут на с еб е вы ш ео п и сан ну ю к о н с тр ук ц ию и и мею т по л о ст и для п р о во д к и . О сн о ван и я с т о ек 4 двигаются по направляющим 5 в сто р о н у ц ен т р а для р аскрытия и в углы короба 6 – д ля свер т ы ван и я установки.

Защитный короб 6 мож е т и м е ть с те пень пы л е -и влагозащиты дл я п ред отвра ще ния пов ре ж ден ия э л е ктрон ик и и м ех а н из м ов в о в ре м я на в од нени й л иб о пе счаных б урь при и с пол ьз ов а н и и в п у с ты нях. Д л я з а щ иты вн у тре н н ос те й м е ж д у п л а тфор мой креп л е н и я стоек и в н у т ре нне й с тороной коро ба пре дпо л а га е тс я н а л и ч ие бре з ен та.

При соответствующем масштабировании установка приобретает свойство мобильности, что расширяет сферу ее использования, например в виде перевозимого на крыше багажника-генератора энергии (рис. 5), применяемого в дальних путешествиях для зарядки ноутбуков, телефонов или приготовления еды. Сравнение существующих мобильных солнечных электростанций произведено в [20].

Алгоритм слежения за Солнцем

Началом разработки нового типа солнечного трекера стало создание системы отслеживания Солнца. На данный момент существует множество алгоритмов определения азимута и высоты Солнца над горизонтом относительно времени, например, NREL Solar Position Algorithm (SPA) [21], алгоритм Миуса [22], дающие особо точные результаты, алгоритм Михальского с его простотой. Для упрощения внесения правок в алгоритм управления было решено разработать свой алгоритм.

При разработке программного обеспечения использовались следующие формулы [23, 24]. Моделирование, тестирование и отладка производилась в программе MATLAB Simulink. Рис. 6, 7, полученные как результат работы алгоритма, по-

3 120 £ 100

1 80

В*60

| 40

О

-20

Время (секунды)                   х 10

Рис. 6. Изменение азимута в течение дня

Рис. 7. Изменение высоты над горизонтом в течение дня

Таблица 3

Сравнение разработанного алгоритма с NREL SPA

Время дня Азимут, MATLAB Азимут, SPA NREL Высота над горизонтом, MATLAB Высота над горизонтом, SPA NREL 0:00 357,1045 356,765 –73,297 –73,2515 1:00 39,738159 39,43301 –69,4865 –69,5051 2:00 64,53386 64,33693 –60,3003 –60,3494 3:00 79,246189 79,10498 –49,3378 –49,3977 4:00 89,902669 89,78784 –37,87 –37,9328 5:00 98,958457 98,85581 –26,3855 –26,4471 6:00 107,56919 107,4708 –15,1716 –15,2289 7:00 116,43613 116,3367 –4,48635 –4,53643 8:00 126,09957 125,9953 5,368834 5,456213 9:00 137,02554 136,9141 14,00197 14,03098 10:00 149,55647 149,438 20,90617 20,93553 11:00 163,72271 163,6013 25,49251 25,53712 12:00 179,00617 178,8901 27,23296 27,29927 13:00 194,36612 194,2642 25,8893 25,97916 14:00 208,72176 208,6389 21,64748 21,76089 15:00 221,47564 221,4115 15,01111 15,15243 16:00 232,5986 232,5498 6,572039 6,77706 17:00 242,40623 242,3688 –3,14832 –3,04452 18:00 251,35483 251,3252 –13,7436 –13,6368 19:00 259,9742 259,9488 –24,9024 –24,7938 20:00 268,936 268,9105 –36,3638 –36,2542 21:00 279,31052 279,2767 –47,8492 –47,7394 22:00 293,30146 293,2374 –58,9115 –58,8037 23:00 316,2846 316,1216 –68,4415 –68,3451 казывают изменение в азимуте и высоте Солнца над горизонтом в течение дня для г. Челябинска.

Результаты сравнения работы алгоритма с алгоритмом NREL SPA [25] без учета влияния погодных явлений сведены в табл. 3.

Высота над горизонтом и азимут, полученные из расчетов, соответствуют наблюдаемому положению Солнца в небе с достаточной точностью.

Заключение

Результатом работы стало начало разработки модифицированной модели солнечного трекера. Предполагается разработка нескольких типов подобных устройств.

• •    Укреплённый самораскрывающийся солнечный трекер будет полезен для солнечных электростанций, расположенных в регионах с высоким риском повреждения от стихийных бедствий.

• •    Монтируемая на крыше установка будет полезна владельцам загородных домом для обеспечения сохранности солнечных модулей во время долгого отсутствия.

• •    Мобильная версия устройства поможет путешественникам не испытывать ограничений в использовании электрического оборудования.

Главным недостатком предложенной установки является увеличенная стоимость из-за дополнительных затрат на систему самораскрытия и водонепроницаемый корпус.

Дальнейшие исследования будут направлены:

• •    на экономическое сравнение последствий от урона, обусловленного погодой, для разных конфигураций солнечных электростанций;

• •    расчет оптимальной прочности компонентов;

• •    расширенную проработку системы самораскрытия.

Данный материал подготовлен на базе проектного обучения в магистратуре Южно-Уральского государственного университета (национального исследовательского университета), Российская Федерация, при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Соглашение РФФИ № 19-08-00070\19 от 29.12.2018 г.