ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

В последние десятилетия энергетические монополии России сохраняют тенденцию устойчивого роста тарифов на свои услуги, поэтому приобретение и установка солнечной электростанции является разумным вложением финансовых средств. Оценивание эффективности солнечной электростанции позволяет более качественно и точно рассчитать ее окупаемость и тем самым снизить финансовые риски инвестирования в солнечную энергетику.

Снижение эффективности фотоэлектрических (ФЭ) солнечных электростанций обусловлено следующими основными причинами:

1. загрязнение фотоэлектрических модулей – в этом случае снижение эффективности происходит за короткий срок;
2. старение фотоэлектрических модулей – при этом эффективность панелей снижается в течение продолжительного периода времени;
3. повреждение солнечной панели или инвертора – нередко этой ситуации сопутствует частое скачкообразное снижение эффективности на фиксированную величину;
4. различие в спектральной чувствительности ФЭ элементов различных производителей, доходящее до 10 % от всей полосы спектральной чувствительности [3], которое приводит к ошибкам в расчетах, поскольку вклад различных участков солнечного спектра в повышение эффективности ФЭ модулей существенно отличается;
5. повышенная концентрация пыли в атмосфере или высокая степень ее загрязнения промышленными выбросами, обусловливающие повышенное поглощение и рассеяние прямого солнечного излучения и, как следствие, приводящие к снижению эффективности ФЭ модулей относительно расчетной. В условиях сильного загрязнения воздуха, в частности, при смоге, уменьшение интенсивности прямого солнечного излучения может достигать 40 %, а суммарного – 25 % [3];
6. меньшее количество солнечных дней в году по сравнению с тем числом, которое указано для данного региона на находящихся в открытом доступе крупномасштабных картах ресурсов солнечной энергии [8], связанное с микроклиматом той конкретной территории, на которой размещена солнечная электростанция. При легкой облачности мощность ФЭ модулей снижается на 20 - 40 %, в условиях пасмурной погоды – на 70 – 80 % [1];
7. Несоответствие заявленной производителем вольт-амперной характеристики ФЭ модуля фактической в условиях повышенных температур. Обычно лабораторные испытания ФЭ модулей проводятся с использованием солнечных имитаторов при комнатной температуре, что зачастую приводит к существенной переоценке их возможностей [3, 1];
8. несовпадение направлений светового потока прямого солнечного излучения и нормали к плоскости ФЭ панели.

Влиянию последней причины на эффективность работы ФЭ солнечной электростанции уделено основное внимание в данной работе. Для того, чтобы выработка электроэнергии ФЭ панелью была максимальной, ее нужно поворачивать в течение всего светового дня таким образом, чтобы поток прямого солнечного излучения падал нормально к ее поверхности. Однако создание такой системы автоматического слежения за точкой максимальной мощности светового излучения – Maximum Power Point Tracking (MPPT) не всегда оправдывается значимым увеличением генерации электроэнергии ФЭ панелью. На практике для удешевления солнечной электростанции значительно чаще применяют неподвижную ФЭ панель, которую стараются ориентировать на юг, а угол наклона ФЭ панели установить близким к значению широты для данной местности [7]. За системами, обеспечивающими ориентацию ФЭ панели на Солнце по одной или двум осям, прочно укрепилось название трекеры. Рассмотрим далее наиболее распространенные типы трекеров, применяемые в солнечной энергетике, и применительно к условиям нашей страны оценим эффективность применения каждого из этих типов.

К группе одноосных трекеров – Single axis trackers (SAT) относятся [5]:

1. Трекер с горизонтальной осью вращения – Horizontal single axis tracker (HSAT).

2. Трекер с вертикальной осью вращения – Vertical single axis tracker (VSAT).

3. Трекер с полярно-ориентированной осью вращения – Polar aligned single axis tracker (PASAT).

4. Трекер с наклонной осью вращения – Tilted aligned single axis tracker (TSAT). По существу, трекер ТSAT то же самое, что и HSAT трекер, только смонтированный на фиксированной наклонной поверхности. Применяется редко, обычно в высокогорье.

К группе двухосных трекеров – Dual axis trackers (DAT) относятся [5]:

1. Трекеры с двумя осями вращения на несущем столбе –Tip tilt dual axis tracker (TTDAT).

2. Трекеры с двумя осями вращения и опорной плоскостью — Azimuth-altitude dual axis tracker (AADAT).

Вертикальное вращение ФЭ панелей трекеров DAT обеспечивает дополнительная ось.

С целью определения целесообразности применения трекерных систем на территории РФ нами был проведены расчеты суточной освещенности неподвижно закрепленной ФЭ панели и ФЭ панелей HSAT, VSAT, PASAT и DAT трекеров в различные периоды года для городов Выборг (широта 60.714° с. ш.) и Владивосток (широта 43.1198° с. ш.). Исходные данные о положении Солнца (азимут, угол восхождения, время восхода и заката) были получены с помощью онлайн-калькулятора [6].

Суммарный поток энергии достигающего поверхности Земли солнечного излучения включает в себя поток рассеянного в атмосфере излучения и поток прямого излучения от Солнца. Интенсивность потока прямого солнечного излучения определялась с помощью экспериментально полученной формулы [5]

где  – солнечная постоянная, АМ – атмосферная масса.

Атмосферная масса является безразмерной величиной, показывающей во сколько раз путь, пройденный светом через атмосферу, больше кратчайшего возможного пути (когда Солнце находится в зените). Величина атмосферной массы вычислялась по формуле [5]

где  – зенитный угол.

Исходя из того, что ФЭ панели всех систем находятся в одинаковых географических условиях, было принято допущение о том, что в этом случае погода не оказывает существенного влияния на результаты вычислений. Поэтому все расчеты выполнены для ясной погоды.

В потоке суммарного солнечного излучения доля рассеянного излучения может достигать 60% в пасмурные дни, а в ясные дни составляет не менее 10%. Поэтому для ясной погоды суммарная интенсивность рассчитывалась по формуле

Трекеры DAT способны следовать за точкой MPPT и обеспечивают освещение ФЭ панели солнечным светом с максимально возможной интенсивностью. Поэтому освещенность ФЭ панели DAT трекера можно полагать численно равной плотности потока падающего излучения

Для одноосных трекеров освещенность ФЭ панели определялась по формулам:

где  – угол восхождения Солнца,  – широта местности,  – сезонная угловая поправка по углу места, знак и значение которой зависит от времени года.

Освещенность неподвижной ФЭ панели рассчитывалась по формуле

где  – азимут.

Все расчеты выполнены для местного, а не для солнечного времени.

Выводы:

1. При использовании DAT систем выигрыш в освещенности ФЭ панели относительно VSAT систем невелик. Он больше летом и в южных районах, и колеблется в пределах от 0,3 % (в декабре в Выборге) до 6,7 % (во Владивостоке в июне).

Рисунок 6. Освещенность ФЭ панелей DAT и VSAT во Владивостоке летом

Рисунок 7. Освещенность ФЭ панелей DAT и VSAT в Выборге летом

Рисунок 6. Освещенность ФЭ панелей DAT и VSAT во Владивостоке зимой

Поэтому, по мнению авторов, с точки зрения окупаемости солнечной электростанции на территории РФ применение DAT систем нецелесообразно.

2. Относительно недорогие HSAT и PASAT системы, в отличие от VSAT систем, имеют устойчивую к ветровым нагрузкам конструкцию.  При этом PASAT системы менее подвержены налипанию снега и обледенению, чем HSAT системы, и самое главное, в условиях РФ существенно выигрывают у HSAT систем в освещенности ФЭ панелей.

Рисунок 7. Освещенность ФЭ панелей HSAT и PASAT во Владивостоке летом

Рисунок 8. Освещенность ФЭ панелей HSAT и PASAT в Выборге летом

Рисунок 9. Освещенность ФЭ панелей HSAT и PASAT во Владивостоке зимой

Следовательно, за одни и те же деньги лучше приобрести PASAT систему.

3. Для VSAT систем при переходе на летний период значения сезонной угловой поправки  следует устанавливать следующим образом. Если основное потребление электроэнергии происходит в течение всего дня, нужно уменьшить наклон ФЭ панели на 10°, если основное потребление электроэнергии происходит в пиковые часы – уменьшить наклон ФЭ панели на 15°; если основное потребление электроэнергии происходит в утренние и вечерние часы – поправку не вводить. При переходе на зимний период следует увеличить наклон ФЭ панели на 15°. В весенний и осенний периоды значение поправки должно быть равно нулю.

Рисунок 10. Освещенность ФЭ панелей DAT и VSAT во Владивостоке летом с учетом угловой поправки γ=0^о (верхний) и γ=15^о (нижний)

В [2] рекомендованы следующие даты для внесения поправки по углу места: 18 апреля – на летний период; 24 августа – на осенний период; 7 октября – на зимний период; 5 марта – на весенний период.

При высокой температуре окружающего воздуха возможен следующий эффект. При величине угловой поправки по углу места 15° после полудня освещенность ФЭ панели VSAT системы будет максимальная. При этом существенно увеличится ее нагрев, и, как следствие, резко снизится генерация электроэнергии ФЭ модулями до уровня ниже допустимого. Поэтому в летний период оптимальное значение , рекомендуемое авторами, составляет 10°.

4. Что целесообразнее, VSAT или PASAT системы? VSAT система эффективнее, чем PASAT система.

Рисунок 11. Освещенность ФЭ панелей VSAT и PASAT во Владивостоке

Однако это преимущество мало ощутимо, особенно для северных районов РФ.

Рисунок 12. Освещенность ФЭ панелей VSAT и PASAT в Выборге зимой (верхний) и летом (нижний)

VSAT система дороже, менее устойчива к ветровым нагрузкам. Следует также учесть стоимость монтажных работ, которые для VSAT системы обойдутся значительно дороже. Рекомендуемое авторами решение для северных регионов РФ – PASAT система. Что касается южных регионов РФ, то в этом случае принимать решение в пользу VSAT или PASAT системы следует, сопоставив величину дополнительных инвестиций с финансовым выигрышем от использования VSAT системы за весь расчетный период ее эксплуатации. Опыт практического применения ФЭ модулей показал, что срок их службы превышает 20 лет [1].

5. В условиях гористой местности (Северный Кавказ, горный Алтай) наилучшим решением является TSAT система. Тому есть несколько причин. Простота конструкции TSAT системы и невысокая парусность позволяет ей выдерживать значительные ветровые нагрузки. Несколько рядом установленных TSAT систем позволяют наиболее эффективно использовать ограниченную площадь выделенного под их монтаж земельного участка. В зимний период существенным недостатком неподвижной ФЭ панели является налипание снега и образование ледяной корки на ее поверхности. В горах снег выпадает значительно раньше и лежит дольше, чем на равнинной местности. ФЭ элементы чувствительны к механическому воздействию. Затенение снежным одеялом фактически приводит к отключению ФЭ панели на весь зимний период. TSAT система следует за Солнцем, которое в течение светового дня успевает расплавить снег на ФЭ панели. Для уменьшения затенения TSAT системы естественными преградами ее следует размещать по возможности ближе к перелому профиля.

6. Потери в освещенности фиксированной ФЭ панели максимальны в летний период, например, в Выборге 21 июня в течение светового дня освещенность фиксированной ФЭ панели составляет 40% от освещенности ФЭ панели PASAT системы, а для Владивостока – 33% относительно VSAT системы. 

Рисунок 13. Освещенность ФЭ панелей разного типа летом в Выборге (верхний) и во Владивостоке (нижний)

В весенний и осенний периоды потери в освещенности фиксированной ФЭ панели уже не столь существенны. Более того, в эти периоды фиксированная ФЭ панель освещается лучше, чем панель HSAT системы.

Рисунок 14. Освещенность ФЭ панелей разного типа осенью во Владивостоке (верхний) и весной в Выборге (нижний)

В зимний период освещенность фиксированной ФЭ панели становится близкой к освещенности панели PASAT системы.

Рисунок 15. Освещенность ФЭ панелей разного типа зимой в Выборге (верхний) и Владивостоке (нижний)

Исходя из этого, основанием для приобретения фиксированной ФЭ панели могут послужить следующие обстоятельства:

• энергопотребление потребителей осуществляется в течение всего года;
• на участке недостаточно места для размещения трекерной системы, но обращенный на юг (юго-восток или юго-запад) скат крыши дома свободен и не затенен местными предметами;
• расчетный срок окупаемости трекерной системы слишком велик.

Список литературы:

1. Бессель В. В., Кучеров В. Г., Мингалеева Р. Д. Изучение солнечных фотоэлектрических элементов: Учебно-методическое пособие. – М.: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, 2016. – 90 с.
2. Дюсьмикеев А.Б. Базовые принципы солнечной энергетики для проектирования и строительства солнечных электростанций // Минск, Изд-во ПРООН/ГЭФ, 2016. – 79 с.
3. Измерение солнечного излучения в солнечной энергетике. Компания «Kipp&Zonen», 2019. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.kippzonen.com (дата обращения: 21.02.19)
4. Кузьмичева Е.Ю. Развитие альтернативной энергетики в России // Отчет. – М.: Национальное рейтинговое агентство. 2015.
5. Наземное солнечное излучение. Компания ЮСТ, 2019. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ust.su/solar/media/section-inner12/637 (дата обращения: 10.02.19)
6. Онлайн калькулятор: Положение Солнца на заданную дату. Таблица азимута и высоты над горизонтом. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://planetcalc.ru/4270// (дата обращения: 21.02.19)
7. Основы возобновляемой энергетики. Компания «Ваш Солнечный Дом», 2019. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.solarhome.ru/ru/basics/pv/ (дата обращения: 21.02.19)
8. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г. и др. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России. – М.: Изд-во МФТИ, 2010. – 83 с.
9. Фолькер Куашнинг. Системы возобновляемых источников энергии. Технология - Расчеты – Моделирование: Учебник. – Астана: Издательство ОНАЫТ, 2013.
10. Хохрякова А.А., Сурков А.А. Применение солнечных электростанций в энергоснабжении зданий // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. - 2014. - № 4.