Технико-экономическое обоснование применения систем слежения за Солнцем для различных регионов России

Бесплатный доступ

В статье выполнен обзор литературных источников, посвященных использованию солнечных трекеров в опытной эксплуатации. Показано, что эффективность использования одноосных и двухосных солнечных трекеров зависит от месторасположения экспериментальных солнечных станций. В статье представлена методика расчета объема солнечной инсоляции, принимаемой фотоэлектрической панелью с учетом индекса ясности неба. Методика позволяет учитывать угол положения поверхности солнечных фотоэлектрических панелей относительно горизонтальной поверхности Земли в любой момент времени (с точностью до секунд) в течение всего года. Предложена математическая модель определения индекса и срока окупаемости солнечных электростанций, оснащенных системами слежения за Солнцем с точностью до года. Разработана математическая модель расчета расхода электроэнергии на поворот платформ с солнечными фотоэлектрическими панелями с помощью трекеров по углу склонения и азимута Солнца. Выполнена оценка эффективности применения систем слежения за Солнцем для различных регионов Юга, Поволжья, Урала, Сибири и Дальнего Востока России. Расчеты выполнялись с учетом реальных ежечасных метеорологических данных в течение последних пяти лет (2019-2023 гг.). Результаты расчета показали, что эффективность работы солнечного трекера на всей территории России весьма существенна. Прирост выработанной солнечной станцией, оснащенной двухосевым солнечным трекером, электроэнергии колеблется от 24 до 40 %. По разработанной методике на примере г. Оренбурга были выполнены технико-экономические расчеты, которые показали, что в данном регионе наиболее экономически целесообразно использовать одноосные трекеры. Расчеты показывают, что применение однокоординатных азимутальных, а также двухкоординатных систем слежения за Солнцем позволяет уменьшить срок окупаемости солнечной электростанции

Еще

Солнечная электростанция, трекер, солнечная инсоляция, индекс ясности неба, система слежения за солнцем

Короткий адрес: https://sciup.org/146283086

IDR: 146283086

Текст научной статьи Технико-экономическое обоснование применения систем слежения за Солнцем для различных регионов России

Цитирование: Митрофанов С. В. Технико-экономическое обоснование применения систем слежения за Солнцем для различных регионов России / С. В. Митрофанов // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2025, 18(2). С. 154–168. EDN: UHGXJY земной поверхности, равным широте местности. Такое размещение используется при строительстве и вводе в эксплуатацию СЭС и наиболее распространено в России. Оно позволяет получать оптимальный, по мнению многих авторов, с точки зрения эксплуатации среднегодовой объем выработанной электроэнергии. Находят применение и стационарные системы с регулируемыми платформами, которые имеют возможность посезонного регулирования лето-зима-осень-весна. Такие системы регулируются относительно только одной оси – оси склонения Солнца. Регулирование можно осуществлять вручную при наступлении одного из сезонов (всего четыре раза в год). Прирост электроэнергии СЭС, оснащенными такими системами регулирования, не превышает 10 % (в средних широтах). Существуют поворотные системы слежения, которые способны поворачивать ФЭП не только по склонению Солнца, но и по азимуту в зависимости от времени суток. Системы непрерывного слежения за Солнцем широко используются в космических программах, а также на некоторых, уже построенных СЭС. В России, по мнению автора, использование систем слежения (трекеров) за Солнцем сдерживается несколькими причинами. Первая – это отсутствие экономической модели для оценки эффективности установки солнечного трекера на СЭС. Экономическая модель может быть создана с учетом эксплуатационных, технологических и стоимостных характеристик внедряемого в эксплуатацию трекера. Может оказаться, что применение любых систем слежения за Солнцем экономически не оправдано. Вторая – отсутствие готовых отечественных технических решений в серийном или мелкосерийном исполнении для систем трекер-платформа под все виды ФЭП, выпускаемых промышленностью.

Существует множество способов поворота платформы с ФЭП относительно склонения и азимута. По данным литературных источников, системы регулирования угла наклона имеют несколько вариантов исполнения. В работе [1] рассматриваются стационарные платформы, одноосные и двухосные системы слежения за Солнцем, дана классификация систем слежения. Рассмотрены активные и пассивные системы слежения за Солнцем. Авторами в работе рассмотрены ранее опубликованные труды с экспериментальными данными, полученными с СЭС, оснащенных системами слежения за Солнцем. Показано, что при использовании двухосных систем слежения за Солнцем наблюдается прирост объема вырабатываемой электроэнергии в среднем от 30 до 60 %. Например, в работе [2] (прирост энергии составляет от 33 до 38 %) представлены результаты исследования СЭС малой мощности, установленной в Турции. В работе [3] рассмотрены одноосевая и двухосевая системы слежения за Солнцем. Прирост электроэнергии составил 30,67 % для г. Томска. Для одноосевой системы слежения за Солнцем прирост энергии составил 40–60 % зимой, 5–12 % летом, а для двухосевой системы 12–16 % и 44–67 % соответственно. Авторами в [4] выполнено исследование работы одноосного азимутального трекера с использованием двухсторонних (бифациальных) ФЭП, установленных на крыше зданий, с учетом отсутствия взаимного затенения в городе Реджо-ди-Калабрия, на юге Италии. Экспериментально установлено, что применение такого трекера увеличивает выработку электроэнергии на 22 % с учетом того, что используемые ФЭП в эксперименте были двухсторонними. В работе [5] авторами в г. Джайпур, Раджастан (Индия), была разработана двухкоординатная экспериментальная система слежения за Солнцем. Исследования показали, что такая система слежения позволила увеличить количество вырабатываемой электроэнергии в среднем на 20 %. В г. Эр-Рияд (Саудовская Аравия) авторами [6] разработана одноосная – 156 – система слежения за Солнцем. При этом платформа вращалась в азимутальном направлении с помощью двигателя постоянного тока, управляемого контроллером и четырьмя фотодатчиками, расположенными на лицевой панели ФЭП. Экспериментально установлено, что выработка электроэнергии увеличилась в среднем на 20 %. В [7] выполнено экспериментальное исследование (Тайланд) для одновременного позиционирования четырех ФЭП с помощью одноосной и двухосной систем слежения. При одноосной системе слежения поворот платформы осуществлялся с помощью шагового двигателя 8 раз за световой день, тогда как при двухосной системе число поворотов составляло 16 раз. Получены данные о потребляемой мощности системой электропривода. При одноосной системе она оказалась равной 4 Вт∙ч в день, а при двуосной – 8 Вт∙ч в день. Объем выработанной электроэнергии по сравнению с СЭС с неподвижными ФЭП при одноосном позиционировании вырос на 16,71 %, при двухосном на 24,97 %. Авторами в [8] было выполнено экспериментальное исследование работы двухкоординатного солнечного трекера. Экспериментальные исследования проводились с 2012 года по настоящее время. Они показали, что применение двухкоординатной системы слежения за Солнцем позволяет увеличить выработку электроэнергии для г. Оренбурга на 30–36 % с учетом затрат электроэнергии на поворот платформы с ФЭП.

В работе [9] выполнено имитационное моделирование в программном обеспечении SolidWorks, TracePro одноосного трекера, с помощью которого ФЭП вращалась вокруг своей вертикальной оси с востока на запад, т.е. по азимуту. По результатам исследований установлено, что для рассматриваемой местности (Малайзии, Тейлорский университет) количество выработанной электроэнергии увеличилось на 30,67 % по сравнению с неподвижной ФЭП. Разработанная авторами [10] конструкция двухосевого солнечного трекера позволила получить расчетное увеличение выработки электроэнергии на 28,7 %. Спроектированная система охлаждения ФЭП позволила увеличить их КПД на 0,38 % на каждый сниженный 1 oC.

По результатам анализа литературных источников, рассматриваемых в [1–10], можно сделать вывод о том, что большой разброс в приросте вырабатываемой электроэнергии связан с географическим местоположением экспериментальных СЭС.

Цель работы – разработать простую и надежную методику расчета эффективности применения того или иного способа регулирования угла наклона ФЭП с учетом региона размещения СЭС и экономических показателей.

Материалы и методы

Для оценки эффективности применения систем слежения за Солнцем учитывается ряд факторов, одним из которых является место расположения предполагаемого строительства СЭС. Прирост электроэнергии в год за счет использования систем слежения за Солнцем будет зависеть от величины солнечной инсоляции (достигающей поверхности ФЭП), угла наклона ФЭП, выходной мощности СЭС, надежности работы трекера и широты местности. Эти показатели для эффективного внедрения трекеров должны рассматриваться совместно с экономическим обоснованием. На рис. 1 приведено произвольное положение ФЭП относительно сторон света, поверхности Земли и Солнца.

Приведем обозначения углов, определяющих положение ФЭП в пространстве, применяющихся в формулах ниже (рис. 1):

Рис. 1. Положение фотоэлектрической солнечной панели в пространстве

Fig. 1. The position of the photovoltaic solar panel in space

β – угол наклона ФЭП относительно поверхности Земли; θz – зенитный угол положения Солнца; α s – угол склонения Солнца; θ – угол между перпендикуляром P v к поверхности ФЭП и лучами Солнца (при ориентации ФЭП строго на Солнце он равен нулю); γ s – азимутальный угол; γ – угол между азимутальным направлением ФЭП и направлением на юг (при ориентации ФЭП строго на Солнце он равен азимутальному углу γs ). Все вышеперечисленные углы можно определить по известным формулам [11] для любого момента времени.

Ниже приведены основные расчетные величины, которые используются для оценки эффективности работы СЭС с системой слежения за Солнцем.

Энергия, вырабатываемая за год СЭС, определяется по формуле [12]:

где n фэп – число ФЭП в составе СЭС; P ном – номинальная мощность одной ФЭП; G ном – номинальная солнечная инсоляция, принимается 1000 Вт/м2; n – номер дня, начиная с 1 января (изменяется от 1 до 365); G β , n – объем солнечной инсоляции в течение светового дня, принимаемый ФЭП, расположенной под углом β; σ – температурный коэффициент; Tср, n – рабочая температура ФЭП в течение дня; Tst – стандартная рабочая температура, принимается равной 25 oС.

При отсутствии системы слежения за Солнцем значение солнечной инсоляции, получаемой ФЭП в течение светового дня, зависит только от погодных условий. При наличии системы слежения за Солнцем солнечная инсоляция еще зависит и от изменяющегося угла наклона β ФЭП. Рабочая температура ФЭП в течение суток изменяется и может быть определена по формуле [13]:

где Tа – температура окружающего воздуха, oС; Tan – номинальная рабочая температура при солнечной инсоляции 800 Вт/м2; η с – коэффициент полезного действия ФЭП, о.е.; τ α – коэффициент пропускания солнечного света через материал, который покрывает фотоэлементы ФЭП (обычно это закаленное стекло), принимается равным 0,9 [14].

Рабочая температура ФЭП будет влиять на значение солнечной инсоляции согласно формулам (1) и (2). Объем солнечной инсоляции, полученной наклонной ФЭП в течение светового дня, определяется по формуле [15]:

Gfi.n ^bp.n "*“ ^dp,n + Gpfi.n ’

где Gb β , n – объем прямой солнечной инсоляции, полученной в течение светового дня наклонной поверхностью ФЭП; G dβ, n – объем рассеянной солнечной инсоляции, полученной в течение светового дня наклонной поверхностью ФЭП; Gρ β , n – объем отраженной солнечной инсоляции, полученной в течение светового дня наклонной ФЭП.

Объем прямой солнечной инсоляции, полученной наклонной ФЭП в течение светового дня, определяется по формуле:

360-и 365

(I-k(kt^)ktcos0,

где k t – индекс ясности неба, изменяющийся в течение светового дня; k(k t ) – зависимость между рассеянным солнечным излучением, падающим на горизонтальную поверхность и полным солнечным излучением, падающим на горизонтальную поверхность.

Вид функции k(k t ) зависит от географического месторасположения ФЭП. Существует множество математических моделей, описывающих эту функцию. Подробное исследование этой функции представлено авторами в работах [16], [17].

По результатам теоретических и экспериментальных исследований, проведенных ранее автором [18], в настоящей работе математическая модель для описания функции k(k t ) определяется по формуле:

Ж) = '

k(kr) = 1-0,248^, если ^ < 0,3

■ k(kr) = 1,45-1,67^, если 0,3<^ < 0,78.

k(kr) = 0,147^, если 0,78<^ < 1

Угол между перпендикуляром к поверхности ФЭП и лучами Солнца определяется по формуле [19]:

0 = acos

(cos (0Z) cos (^) + sin (6Q sin (^) cos (/,-/))

Объем рассеянной солнечной инсоляции, полученной в течение светового дня наклонной ФЭП, с учетом [20], определяется по формуле:

Gd/3n =1353- 1 + 0,033-cos

360 w

k(kt)kt cos 0Z

3 + cos(2^)

Объем отраженной солнечной инсоляции, полученной в течение светового дня наклонной поверхностью ФЭП, с учетом [19], определяется по формуле:

Gpp^i

= 1353-f1 + 0,033 - cos f^'iKcosfl f^^ 365         \   2

где ρ – альбедо поверхности Земли.

Объем полной солнечной инсоляции, полученной в течение светового дня наклонной ФЭП, с учетом формул (3), (4), (5), (6) и (7), определяется по формуле:

Прирост выработки электроэнергии в течение светового дня станциями, оснащенными платформами с системой слежения за Солнцем, по отношению к станциям с неподвижными платформами, выражается в процентах:

где E pvβ – энергия, вырабатываемая СЭС с системой слежения; E pvc – энергия, вырабатываемая СЭС без системы слежения; E β – энергия, затрачиваемая на поворот платформы с системой слежения.

Энергия, затрачиваемая двигателем трекера на поворот платформы с ФЭП:

E^P^,                                     (11)

где P 1 – потребляемая мощность двигателя, приводящего в движение платформу, t – общее время работы двигателя в течение суток; t a, s – время работы трекеров по азимуту или склонению Солнца.

Для определения времени работы двигателей трекеров по азимуту или склонению можно воспользоваться формулой:

t =n -At a,s a,s c где na, s – число включений двигателей трекеров по азимуту или склонению в сутки, Δta, s – время работы двигателей по азимуту или склонению за одно включение.

Угол, на который поворачивается платформа с ФЭП при одном включении двигателя трекера по азимуту, определяется по формуле, рад:

где γ smin – минимальный азимутальный угол положения Солнца (восход); γ smax – максимальный азимутальный угол положения Солнца (закат);

Угол, на который поворачивается платформа с ФЭП при одном включении двигателя трекера по склонению, определяется по формуле, рад:

где θzmin – минимальный зенитный угол Солнца (солнечный полдень); θzmax – максимальный зенитный угол Солнца (восход, закат).

Наибольшее затруднение вызывает расчет времени работы двигателя трекера Δ t для поворота платформы с ФЭП на угол Δ γ a, s . Время работы двигателя трекера для поворота платформы на угол Δ γa, s в общем случае можно представить в виде функции:

a f ( ^a 1                                                             (15)

где с a, s – константа, зависящая от кинематической схемы соединения вала двигателя с осью платформы, конструкции поворотной платформы и ее габаритов; f(Δγ a, s ) – некоторая функция, связывающая время работы (скорость вращения) двигателей трекеров со скоростью поворота платформы с ФЭП на угол Δ γ a, s .

Срок окупаемости СЭС в общем случае определяется по формуле:

где K – капитальные вложения, затраченные на строительство СЭС, руб.; Сто – стоимость ежегодного технического обслуживания, руб.; С э – текущий тариф на электроэнергию, руб./кВт∙ч.

Формула (16) справедлива, если не учитывать ежегодный рост тарифов на электроэнергию и инфляцию, которые мы наблюдаем в настоящее время. Для учета ежегодного роста тарифов и инфляции автором введено понятие индекса окупаемости строительства СЭС с учетом внедрения системы слежения:

где πe, i – ежегодный ожидаемый уровень инфляции,%; ΔCэ, i – ежегодный рост тарифа на элек-троэнергию,%.

Подставляя в формулу (17) предполагаемый срок окупаемости СЭС, можно рассчитать индекс окупаемости. Если индекс окупаемости становится равным или меньше единицы, то срок окупаемости достигнут. Недостатком такого подхода является то, что срок окупаемости можно узнать только с точностью до года. Также необходимо знать предполагаемый уровень ежегодной инфляции, уровень роста тарифа на электроэнергию и ежегодный прогноз объема выработанной электроэнергии СЭС. Приняв усредненные значения вышеперечисленных параметров в формуле (17), можно с достаточной для инженерных расчетов точностью определить срок окупаемости строительства СЭС с системой слежения за Солнцем. Предложенная методика позволяет учесть экономические факторы, влияющие на срок окупаемости строительства СЭС.

Апробация и результаты исследования

Приведем основные технические и экономические показатели и сравним по эффективности разные технологии систем слежения за Солнцем. Для оценки работоспособности представленной математической модели были выполнены исследования о целесообразности ис-– 161 – пользования систем слежения за Солнцем, как в одноосном, так и в двухосном исполнении, для различных регионов России. Для примера расчета была выбрана действующая учебнонаучная СЭС, установленная на территории Оренбургского государственного университета. Станция состоит из двух идентичных по характеристикам модулей по 400 Вт каждый. Один модуль имеет неподвижную платформу с ФЭП, расположенную строго по направлению на юг под оптимальным углом, равным широте местности. Второй – с двухкоординатной системой слежения за Солнцем. Платформа с ФЭП поворачивается по азимуту и склонению с помощью двух линейных актуаторов. Каждый двигатель имеет драйвер, который управляется с помощью микроконтроллера, в котором имеются часы реального времени и математическая модель для вычисления положения ФЭП в пространстве в зависимости от даты и времени суток. Каждый модуль подключен к своему сетевому инвертору, имеющему систему сбора данных с интервалом в 5 минут. Технические характеристики экспериментальной СЭС, установленной в г. Оренбурге, представлены в табл. 1.

Почасовой индекс ясности неба k t и почасовая температура атмосферного воздуха для исследуемых регионов России определялись по сервису NASA [21]. Представленная математическая модель была реализована на ЭВМ с помощью разработанного лично автором программного обеспечения. Расчет выполнялся с интервалом в одну минуту в течение всего года с учетом облачности, учитываемой с помощью индекса ясности неба. Суммарная электроэнергия, выработанная за год экспериментальной солнечной станцией, определялась по формуле (1) с учетом почасового значения рабочей температуры ФЭП, вычисленной по формуле (2). Промежуточные значения индекса ясности неба и температуры атмосферного воздуха определялись с помощью интерполяции. Объем полной солнечной инсоляции, принимаемой наклонной ФЭП, рассчитывался с помощью формулы (9).

Для расчетного эксперимента были выбраны регионы с высокой солнечной инсоляцией. Расчеты выполнялись для городов, находящихся на юге России, на Урале и Дальнем Востоке, в Сибири и Поволжье, в которых предполагается строительство и размещение экспериментальных СЭС. В табл. 2 приведены результаты расчета объема выработки электроэнергии

Таблица 1. Характеристики экспериментальной СЭС

Table 1. Characteristics of the experimental SPP

Наименование

Значение

Единица измерения

Номинальная мощность одной солнечной панели

200

Вт

Число солнечных панелей

4

шт.

КПД солнечной панели

19,4

%

Рабочая температура солнечной панели

38

° C

Температурный коэффициент солнечной панели

0,249

%/° C

Номинальная мощность трекера по азимуту

60

Вт

Скорость движения штока трекера по азимуту

3

мм/с

Номинальная мощность трекера по склонению

48

Вт

Скорость движения штока трекера по склонению

6

мм/с

Таблица 2. Результаты расчета выработки электроэнергии экспериментальной СЭС для различных регионов

Table 2. The results of calculating the power generation of the experimental SPP for different regions

s

м

° s

2 >> U

год

Станция с неподвижной платформой

Станция с двухкоординатной системой слежения

Станция с регулированием платформы по азимуту

Станция с регулированием платформы по склонению Солнца

E pv , кВт∙ч

E pv , кВт∙ч

ΔE pv , %

E pv , кВт∙ч

ΔE pv , %

E pv , кВт∙ч

ΔE pv , %

s r о

U

2019

431,492

539,744

25,09

526,065

21,82

457,95

6,13

2020

466,62

592,064

26,88

576,113

23,465

494,375

5,95

2021

404,25

501,27

24

490,432

21,32

430,35

6,45

2022

416,135

519,027

24,73

507,056

21,85

441,664

6,14

2023

415,766

518,881

24,8

506,41

21,8

441,474

6,18

и о JS

S О о о Он о со

к

2019

439,632

555,932

26,45

542,943

23,5

466,156

6,03

2020

455,97

584,279

28,14

570,121

25,04

483,015

5,93

2021

402,902

501,865

24,56

491,49

22

428,826

6,43

2022

418,548

526,363

25,76

516,129

23,31

444,391

6,17

2023

413,898

521,424

25,98

509,885

23,19

439,982

6,3

га

о S

m

2019

403,036

515,152

27,82

503,025

24,81

428,961

6,43

2020

417,759

531

27,11

518,38

24,09

443,23

6,1

2021

390,04

491,024

25,89

480,048

23,08

415,365

6,49

2022

387,559

492,633

27,11

480,902

24,09

413,519

6,7

2023

406,049

516,302

27,15

503,33

23,96

431,904

6,37

га X га Он

о <

2019

393,904

515,071

30,76

499,369

26,77

420,522

6,76

2020

421,442

549,685

30,43

531,887

26,21

448,872

6,5

2021

377,607

488,126

29,27

475,063

25,81

403,191

6,78

2022

386,127

501,712

29,94

486,985

26,12

412,84

6,92

2023

395,152

512,121

29,6

495,85

25,48

421,46

6,66

ч га Он

О

Ч О m

2019

404,196

525,127

29,92

511,282

26,49

431,86

6,84

2020

412,341

536,758

30,17

522,747

26,78

439,558

6,6

2021

370,553

472,07

27,4

461,257

24,48

396,184

6,92

2022

373,797

486,525

30,16

474,785

27,02

401,308

7,36

2023

377,554

481,27

27,47

469,8

24,43

402,728

6,67

м

& и

2019

367,946

494,267

34,33

479,727

30,38

396,102

7,65

2020

370,775

497,031

34,05

481,915

29,98

398,697

7,53

2021

356,472

471,895

32,38

457,85

28,44

383,258

7,51

2022

357,947

478,382

33,65

464,146

29,67

385,979

7,83

2023

334,9

437,379

30,6

425,706

27,11

359,221

7,26

га

га и

2019

325,512

437,076

34,27

424,507

30,41

352,863

8,4

2020

340,925

456,868

34

444,105

30,27

368,17

8

2021

359,826

487,529

35,49

473,47

31,58

388,262

7,9

2022

322,149

435,579

35,21

423,777

31,55

348,654

8,23

2023

348,072

466,551

34,04

452,804

30,09

374,847

7,69

Он

Он о

2019

377,338

504,813

33,78

488,771

29,53

406,638

7,77

2020

385,345

519,643

34,85

503,018

30,54

414,492

7,56

2021

412,472

558,079

35,3

540,405

31,02

442,26

7,22

2022

372,204

496,276

33,34

481,13

29,27

400,26

7,54

Таблица 2 продолжение

Table 2 Continued

s

м

° s

5 go

2 >> U

год

Станция с неподвижной платформой

Станция с двухкоординатной системой слежения

Станция с регулированием платформы по азимуту

Станция с регулированием платформы по склонению Солнца

E pv , кВт∙ч

E pv , кВт∙ч

ΔE pv , %

E pv , кВт∙ч

ΔE pv , %

E pv , кВт∙ч

ΔE pv , %

2023

389,09

514,87

32,33

497,97

27,99

417,99

7,43

и о к s ю

w ч

OJ

2019

325,574

430,934

32,36

418,101

28,42

352,575

8,29

2020

325,653

438,331

34,6

425,731

30,73

353,658

8,6

2021

353,809

481,244

36,02

467,253

32,06

382,363

8,1

2022

343,452

458,42

33,47

444,102

29,31

371,173

8,1

2023

347,978

466,607

34,09

452,741

30,11

452,74

7,85

E Й

Ph

&

2019

339,343

455,672

34,28

441,365

30,07

367,335

8,25

2020

339,922

463,444

36,34

449,417

32,21

368,747

8,48

2021

375,467

517,021

37,7

501,678

33,62

405,33

7,95

2022

356,527

478,174

34,12

462,768

29,8

385,046

8,0

2023

367,339

499,676

36,03

484,523

31,9

395,469

7,66

о

2019

364,924

485,79

33,12

470,154

28,84

393,761

7,9

2020

354,658

482,111

35,94

468,041

31,97

383,783

8,21

2021

377,73

513,97

36,07

497,65

31,75

407,584

7,9

2022

368,47

498,538

35,3

482,55

30,96

397,28

7,82

2023

372,972

506,605

35,83

491,205

31,7

401,812

7,73

И

2019

371,474

489,204

31,69

473,31

27,41

399,97

7,67

2020

352,52

468,192

32,81

454,027

28,8

380,691

7,99

2021

369,734

492,514

33,21

477,416

29,12

398,53

7,79

2022

396,706

530,338

33,69

512,318

29,14

427,64

7,8

2023

372,193

495,981

33,26

480,379

29,07

401,235

7,803

Ч из со

SU

2019

423,663

556,814

31,43

536,588

26,65

454

7,16

2020

420,127

555,076

32,12

535,301

27,41

450,556

7,24

2021

414,109

543,205

31,17

523,541

26,43

443,562

7,11

2022

448,048

601,546

34,26

578,325

29,08

481,697

7,51

2023

413,813

546,764

32,13

526,962

27,34

444,918

7,52

Ри

2019

325,325

431,185

32,54

417,308

28,274

352,387

8,32

2020

306,016

402,246

31,45

390,26

27,53

331,376

8,29

2021

319,607

425,683

33,19

412,742

29,11

346,569

8,436

2022

329,255

438,456

33,17

424,166

28,83

357,11

8,46

2023

329,569

440,536

33,67

426,542

29,42

357,012

8,327

Ри

S

2019

398,832

526,249

31,95

507,051

27,13

428,565

7,46

2020

392,232

513,212

30,84

494,308

26,02

421,929

7,57

2021

381,888

494,889

29,59

477,123

24,94

409,596

7,26

2022

406,769

537,358

32,1

517,54

27,23

436,786

7,38

2023

409,756

538,536

31,43

518,509

26,54

439,509

7,26

ей

S

2019

443,491

595,098

34,19

570,87

28,72

477,121

7,58

2020

411,46

545,24

32,51

523,171

27,15

443,403

7,76

2021

410,901

542,143

31,94

521

26,8

441,564

7,46

Таблица 2 продолжение

Table 2 Continued

s м Н Sri о га U год Станция с неподвижной платформой Станция с двухкоординатной системой слежения Станция с регулированием платформы по азимуту Станция с регулированием платформы по склонению Солнца Epv, кВт∙ч Epv, кВт∙ч ΔEpv, % Epv, кВт∙ч ΔEpv, % Epv, кВт∙ч ΔEpv, % га S 2022 422,587 571,567 35,25 548,39 29,77 455,532 7,8 2023 440,508 593,35 34,7 569,95 29,39 473,16 7,4 И О и м о га И 2019 476,415 609,035 27,84 582,202 22,21 510 7,05 2020 474,645 613,143 29,18 586,589 23,59 508,395 7,11 2021 458,703 592,221 29,11 566,97 23,6 491,689 7,2 2022 490,967 640,683 30,49 612,932 24,84 525,978 7,13 2023 482,861 621,97 28,81 594,9 23,2 517,39 7,15 м га X 2019 439,215 554,024 26,14 528,351 20,294 467,693 6,48 2020 422,867 540,861 27,9 517,572 22,4 452,56 7,02 2021 436,57 558,653 27,97 535,534 22,67 467,07 6,99 2022 445,932 571,348 28,13 545,885 22,41 477,25 7,02 2023 458,98 595,121 29,66 566,839 23,5 493,038 7,42 о о м га ч 2019 433,039 538,834 24,43 513,957 18,69 460,6 6,36 2020 417,752 519,252 24,3 496 18,73 446,1 6,79 2021 420,089 525,269 25,038 502,607 19,64 447,274 6,47 2022 430,149 540,115 25,564 516,155 20 456,869 6,21 2023 421,778 525,502 24,592 503,029 19,26 447,632 6,13 2019 369,549 502,387 35,95 487,813 32 398,444 7,82 2020 381,664 524,676 37,471 509,614 33,524 411,497 7,82 2021 374,542 510,207 36,221 495,042 32,172 403,646 7,78 2022 364,398 501,952 37,75 487 33,645 393,735 8,05 2023 380,035 531,601 40 516,44 35,89 411,054 8,16 к га га 2019 302,123 395,818 31,01 384,511 27,27 325,598 7,77 2020 324,683 432,094 33,08 419,687 29,26 350,29 7,89 2021 317,144 424,737 33,92 412,808 30,164 341,648 7,73 2022 307,08 407,43 32,68 395,148 28,68 331,524 7,96 2023 325,202 440,424 35,431 427,556 31,474 351,661 8,136 о о о 2019 338,941 439,218 29,585 425,513 25,54 363,775 7,33 2020 384,514 507,992 32,11 492,1 27,98 412,739 7,34 2021 375,487 500,982 33,42 486,659 29,61 402,899 7,3 2022 342,068 442,901 29,478 429,278 25,495 367,061 7,31 2023 364,085 486,901 33,73 472,261 29,71 392,203 7,72 экспериментальной СЭС, если бы она была установлена в этих городах. Прирост объема выработанной электроэнергии за счет применения системы слежения за Солнцем определялся по формуле (10) с учетом энергии, затраченной на поворот платформы с ФЭП, найденной по формулам (11)–(15).

Таблица 3. Результаты технико-экономического расчета для экспериментальной СЭС г. Оренбурга

Table 3. The results of the technical and economic calculation for the experimental SPP Orenburg

Время работы трекера по азимуту

41,48

час/год

Время работы трекера по склонению

3,22

час/год

Годовой расход электроэнергии на питание драйверов двигателей трекеров (измеренная величина)

447

Вт

Затраты электроэнергии на поворот платформы в год

2682

Вт

Стоимость строительства станции в ценах 2019 года

25

тыс. руб.

Стоимость трекера, включая поворотную платформу в ценах 2019 года

15

тыс. руб.

Тариф на электроэнергию для предприятий и организаций (г. Оренбург в 2019 году)

6,78

руб.

Ежегодный рост тарифа на электроэнергию

5

%

Уровень инфляции

8,5

%

Срок окупаемости СЭС с отсутствием трекера

14

лет

Срок окупаемости СЭС с двухкоординатным трекером

13

лет

Срок окупаемости СЭС с азимутальным трекером

12

лет

Для оценки экономической целесообразности применения систем слежения за Солнцем с помощью формул (11)–(15) и (17) были выполнены расчеты для экспериментальной СЭС. Результаты расчетов приведены в табл. 3.

В результате технико-экономического расчета установлено, что с учетом роста тарифов и инфляции для г. Оренбурга срок окупаемости СЭС без системы слежения составит 14 лет, с двухкоординатной системой слежения за Солнцем – 13 лет, а с азимутальной системой слежения – 12 лет. Для расчетов принято среднее за пять лет значение объема выработанной электроэнергии.

Выводы

В представленной математической модели для прогнозирования выработки электроэнергии СЭС автором учтены все составляющие солнечного излучения (прямое, рассеянное, отраженное) с учетом индекса ясности неба. Достоверность методики прогнозирования подтверждена экспериментальными исследованиями, проводившимися в течение 2022–2024 годов с помощью двух опытных СЭС, установленных на территории Оренбургского государственного университета г. Оренбурга. Разработана математическая модель для определения индекса и срока окупаемости проекта с учетом инфляции и ежегодного роста тарифов на электроэнергию. Предложена математическая модель для определения расхода электроэнергии линейных актуаторов, поворачивающих платформу с фотоэлектрическими панелями вслед за Солнцем. Определен объем выработки электроэнергии экспериментальной СЭС с различными системами слежения для различных регионов России. Установлено, что применение систем слежения за Солнцем для регионов России с высоким уровнем солнечной инсоляции обеспечивает прирост вырабатываемой электроэнергии от 24 до 40 %. В результате технико-экономического расчета установлено, что для г. Оренбурга экономически целесообразно использовать одноосный трекер по азимуту. Организация массового производства недорогих систем трекер-платформ, – 166 – предназначенных для систем слежения за Солнцем, позволит значительно снизить срок окупаемости строительства СЭС до экономически оправданных значений.

Статья научная