Промислове моделювання сонячних електростанцій

Промислове моделювання сонячних електростанцій дозволяє вирішити кілька завдань. Інженери прагнуть оптимізувати систему, щоб отримати на виході максимальну потужність. Інвестори можуть розрахувати, через який час окупляться їх вкладення. Теоретичні розрахунки будуть потрібні в якості вихідної точки при введенні станції в експлуатацію — вони допоможуть порівняти реальну продуктивність з розрахованою, а при необхідності — внести відповідні корективи.

Для промислового моделювання сонячних електростанцій використовуються різні програмні середовища, але на базовому рівні всі розрахунки зводяться до відповіді на два питання — як багато сонячного випромінювання отримає станція і скільки потужності вона зможе виробити.

Як багато сонця?

Географічне положення, конфігурація і розташування модулів, об’єкти, що оточують станцію — це все впливає на кількість сонячного світла, яке потрапляє на фотоелектричні модулі. Географічне положення визначає, скільки сонячного світла може бути доступно електростанції. Навколишні об’єкти визначають, скільки світла буде заблоковано, а конфігурація масиву (розташування сонячних батарей на місцевості, спосіб їх установки) визначають, наскільки ефективно система зможе сприймати і перетворювати отриману сонячну енергію.

Метеорологічні дані

Перший і, мабуть, основний фактор у визначенні можливої кількості сонячної енергії, яка буде надходити на пластини сонячних батарей — це метеорологічні дані. Вони дають повне уявлення про погодні умови в місці, де планується розгорнути сонячну електростанцію. Як правило, метеорологічні дані включають в себе інформацію про сонячну активність (глобальне випромінювання, пряме, дифузне), а також про переважаючі напрямки вітру і його швидкість, хмарність, кількість опадів і т.д. Дані можуть бути отримані як за рахунок багаторічних спостережень, так і з супутникових вимірів, а для деяких місць, де не проводилися метеорологічні спостереження, ці дані можуть бути змодельовані.

Метеорологічні дані — це великий масив інформації, який необхідно проаналізувати, тому є організації, які надають дані в форматі, що дозволяє легко використовувати їх в програмному забезпеченні для розрахунку сонячних установок. Ці дані можуть поширюватися як безкоштовно (National Renewable Energy Laboratory (NREL) і НАСА, так і на платній основі (Метеонорм і 3Tier). Крім того, дані, що надаються NREL, оптимізовані для їх використання в програмному середовищі PVWatts, яке розроблено безпосередньо самою NREL.

Для прикладу — американські інженери для проектних розрахунків сонячних електростанцій найчастіше використовують дані Typical Meteorological Year (TMY), що надаються National Renewable Energy Laboratory на основі аналізу і обробки інформації від National Solar Radiation Data Base (NSRDB). Дані Typical Meteorological Year включають в себе погодинні показники про сонячну активність та інші метеовідомості за рік. Слід розуміти, що представлені дані — це усереднені значення, які отримані протягом багаторічних спостережень. При цьому дані щороку оновлюються, що дозволяє отримати найсвіжіші метеорологічні карти, які, за рахунок багаторічних спостережень, можна використовувати як індикатори для довгострокових розрахунків. А ось місячні і щорічні розрахунки можуть мати значну похибку, наприклад, річний прогноз може мати помилку порядку ± 10%, а прогноз на місяць ± 30%.

Радіаційні моделі

Типові метеодані включають в себе три показники, що характеризують сонячну радіацію у вигляді випромінювань, що падають на горизонтальну поверхню:

• пряме сонячне випромінювання, яке потрапляє на землю по прямій лінії від Сонця
• дифузне випромінювання — частина сонячної енергії, яка потрапляє на земну поверхню після відображення (розсіювання) від частинок і молекул в атмосфері
• загальне (глобальне) горизонтальне випромінювання — в ідеальних умовах, це сума прямого і дифузного випромінювання, але через похибки вимірювання це не завжди так.

В метеорологічних даних вказується, скільки сонячної радіації припадає на горизонтальну поверхню, але завдання проектувальників полягає в тому, щоб визначити, скільки з цього сонячного світла потрапить на пластини сонячних батарей. Фотоелектричні системи встановлюються під нахилом або використовують одно- або двовісний трекери. Різні програмні пакети дозволяють розрахувати, скільки загального горизонтального випромінювання потрапить на площину сонячних батарей. Точність використовуваної математичної моделі залежить як від якості метеоданих, так і від особливостей клімату в місці розташування сонячної установки.

В цілому, радіаційні моделі практично однаково розраховують пряме сонячне випромінювання, виходячи з даних про час дня, положення сонця на небосхилі (знаючи широту і довготу місця установки сонячної електростанції), після цього можливо використати просту геометричну формулу для перекладу прямого випромінювання в значення реально прийнятої площиною сонячної батареї сонячної енергії. А ось значення дифузного випромінювання різні математичні моделі враховують по-різному. У найпростіших використовується припущення, що дифузне випромінювання має однакову потужність з усіх напрямків. У більш складних математичних моделях враховується той фактор, що дифузне випромінювання більш інтенсивне в горизонтальній площині, а також в навколосонячній області, безпосередньо біля Сонця. У них так само враховується зміна потужності дифузного випромінювання в залежності від кута установки сонячної панелі (чим більше кут, тим менше дифузного випромінювання вловлюють панелі), а також в залежності від чистоти неба, щільності хмарного покриву і т.д.

Ще один фактор, який необхідно враховувати під час розрахунку сонячної енергії, що буде отримано сонячними батареями — відбите сонячне випромінювання, яке надходить на панелі, відбившись від землі, дахів і інших об’єктів. Потужність відбитого випромінювання залежить від коефіцієнта відбиття поверхні, а також від кута установки панелей. Якщо кут дорівнює нулю, то масив не отримує відбите сонячне випромінювання, чим більше кут установки — тим більше відбитого сонячного випромінювання буде отримувати модуль. Крім того, при розрахунках слід враховувати і той факт, що коефіцієнт відбиття поверхні змінюється протягом року, наприклад, сніговий покрив має кращі показники відбиття, ніж просто земля. У деяких програмах розрахунку (PVsyst і PV*SOL) закладено річна зміна коефіцієнта відбиття поверхні.

Затінення

Проста оцінка кількості сонячного випромінювання, що потрапляє на площину масиву фотоелектричних панелей, не завжди може бути застосована. Залежно від розташування, площі та конфігурації масиву сонячних батарей, великі високі об’єкти (або навіть невисокі, але розташовані досить близько) можуть блокувати доступ сонячної енергії — іншими словами, затінювати деяку площу масиву. Крім того, близько розташовані установки можуть затінювати один одного. Складність оцінки впливу затінення на генерацію електрики полягає в тому, що ступінь затінення площі батарей постійно змінюється через рух сонця. Крім того, для оцінки ступеня падіння потужності неможливо використовувати пряму залежність, наприклад, якщо в тіні виявляться 10% модулів, то і падіння об’ємів електрики, що генерується, складе 10%. Таке припущення невірне, адже затінення одного осередку в модулі непропорційно впливає на продуктивність цілого модуля, рядка або навіть всього масиву. Складність обліку затінення ще і в тому, чи враховується кожен випадок затінення окремо або вони згруповані — в останньому випадку точність розрахунку знижується.

Точно визначити, як затінення вплине на зниження генерації електрики, дуже важко. Навіть якщо проводити дослідження безпосередньо на місцевості, щоб визначити вплив розташованих поруч об’єктів, визначити коефіцієнт падіння потужності буде досить проблематично.

Забруднення

Додатковий фактор, який призводить до зниження ефективності роботи сонячної електростанції — забруднення площині пластин сонячних батарей. Пил, сніг, пташиний послід та інші частки, що забруднюють поверхню, знижують потрапляння сонячного світла, що і призводить до скорочення вироблення електроенергії. Втрати потужності, викликані забрудненням масиву, залежать від кута нахилу, під яким встановлені панелі, кількості і сезонної опадів і їх мінливості, кількості снігопадів, а так само особливих умов для конкретної ділянки. Наприклад, близько розташоване виробництво або велике будівництво, жвава автотраса або інші об’єкти господарювання, що створюють багато пилу (докладніше про оцінку втрат, викликаних запиленістю, можна почитати тут). Більшість програм дозволяє ввести тільки коефіцієнт, який оцінює щорічні втрати, викликані забрудненням масиву. Але такий підхід не дає можливість оцінити втрати протягом деякого відрізка часу, адже втрати часто мають сезонний характер.

Як багато енергії?

Другий крок при промисловому моделюванні сонячної електростанції — визначення її ефективності, тобто кількості енергії, яке буде отримано при перетворенні сонячної енергії, що потрапила на установку, в споживану енергію.

Моделі продуктивності сонячних установок

Існує кілька програмних продуктів, які дозволяють провести розрахунки вихідної потужності як однієї сонячної батареї, так і цілого масиву. Вони дозволяють з різною точністю розрахувати вихідну потужність, нижче ми розглянемо найбільш популярні у проектувальників програми

Модель продуктивності Sandia (Sandia performance model)

Програмний продукт, випущений в 2004 році Sandia National Laboratories — це одна з найбільш точних і надійних моделей для проведення розрахунків. Точність розрахунків обумовлена використанням великої кількості коефіцієнтів, що враховують як особливості масиву (як встановлено модулі, кут нахилу, взаємне затінення і т.д.), показники сонячної активності і освітленості (зміна коефіцієнта відображення, дифузне випромінювання і його варіативність і т.д.), а також електричні характеристики (температурний коефіцієнт потужності, напруги та струму). Проведені тести показують, що різниця реальних значень вихідної потужності від отриманих при розрахунку з використанням Sandia performance model становить близько 1%.

Як частина програмного забезпечення, Sandia performance model використовується в таких програмних пакетах як System Advisor Model (SAM) і PV-DesignPro. Основна проблема, пов’язана з використанням Sandia performance model полягає в тому, що база даних містить інформацію про фотоелектричні модулі, які були протестовані безпосередньо в лабораторії Sandia. А це значить, що в базі даних часто немає даних по найновішим, нещодавно виготовленим модулям.

Модель єдиного діода

Дана модель має на увазі, що поведінка осередку фотоелектричного модуля можна представити у вигляді еквівалентної схеми, що складається з джерела енергії, діода і двох-трьох резисторі (мал.1).

Джерело напруги і діод є практично ідеальною моделлю сонячної батареї, а використання резисторів дозволяє змоделювати реальні втрати, наприклад, поточні витоку або опір між напівпровідником і металевими контактами. Використовуючи цю схему, можна скласти рівняння, які будуть описувати поточні характеристики і характеристики напруги еквівалентної схеми. При цьому дані для рівняння можна отримати зі специфікації, зазначеної виробником, наприклад, напруга розімкнутого ланцюга або струм короткого замикання. Модель єдиного діода використовується в якості математичної моделі в програмних пакетах PVsyst і SAM.

Модель PVFORM

Математична модель, що використовується PVWatts — це спрощена модель Sandia performance model. Ця модель використовує швидкість вітру, температуру навколишнього середовища і розрахунок сонячного випромінювання, що потрапляє на площу масиву, щоб отримати значення робочої температури сонячної батареї, дозволяючи в підсумку отримати значення вихідної потужності. Наближення і спрощення, що використовуються, дозволяють проводити дуже точні розрахунки для прозорих кремнієвих модулів, але не підходять для розрахунку тонкоплівкових модулів.

Втрати при генерації постійного струму

Основними параметрами, які визначають величину постійного струму, що генерується для певного рівня освітленості, є:

• ефективність технології, яка використовується в сонячних батареях
• температура модуля
• температурний коефіцієнт, тобто як впливає підвищення температури модуля на генерацію струму.

Крім того, при моделюванні виробництва слід обов’язково враховувати точність даних, які вказані в паспорті фотоелектричної панелі, падіння напруги на діодах і з’єднаннях в модулі, опір проводів, по яким йде постійний струм, часова деградація модуля. Зазвичай при розрахунках, після отримання теоретичної потужності, використовують кілька понижуючих коефіцієнтів, які дозволяють отримати більш реальне значення потужності, яка буде подана на інвертори. Нижче наводяться кілька факторів, які впливають на точність розрахунків.

Паспортні данні. Виробники модулів в паспорті виробу вказують діапазон точності, з якою була виміряна потужність. Наприклад, +/- 5%. Для модуля потужністю в 250 Вт реальна вихідна потужність може виявитися менш 240 Вт

Втрати постійного електричного струму. Багато виробників просто вказують в паспорті коефіцієнт втрат, який можна використовувати для розрахунків. Втім, в деяких програмних середовищах, таких як PVsyst, PV*SOL та PV-DesignPro можна вказати матеріал провідника, його перетин, розмір і довжину проводу, щоб досить точно розрахувати втрати, викликані опором провідника.

Ефект невідповідності модулів. Ефект невідповідності починає проявлятися через те, що в одному модулі з’єднані елементи, які мають різні властивості (їх вольтамперні характеристики не ідентичні). Крім того, вони можуть працювати в різних умовах, наприклад, деяка частина модуля може виявитися затіненою. В результаті, вихідні параметри фотоелектричного модуля визначаються характеристиками сонячного елемента, що має найнижчі параметри. І хоча використання МРРТ інверторів дозволяє автоматично підтримувати роботу модуля в точці з максимальною потужністю, втрати через неузгодженість (невідповідність) модулів становлять близько 2%.

Ефективність MPPT інверторів. В цілому, як показують дані досліджень, ефективність МРРТ інверторів становить 98-100%

Деградація модулів. При промисловому моделюванні обов’язково необхідно враховувати той факт, що з часом потужність сонячних модулів падає. Цей процес називається деградацією, при стандартних умовах за рік фотоелектричний модуль втрачає близько 1% потужності. Втім, у сучасних моделей цей показник дещо нижчий, більшість виробників гарантують, що за 25 років експлуатації модуля його потужність зменшиться до 85% від початкового значення. Деградація залежить від матеріалів, які використовуються в сонячної панелі, для кристалічних модулів падіння потужності становить близько 0,5% в рік, а ось для багатьох тонкоплівкових модулів воно може навіть перевищувати 1%.

Втрати, викликані перетворенням в змінний струм

На жаль, процес перетворення постійного струму в змінний, що відбувається в інверторах, неминуче пов’язаний з втратами потужності. При цьому можна виділити декілька чинників, які впливають на величину втрат:

• втрати через опір провідника, при цьому величина втрат безпосередньо пов’язана з силою струму
• втрати на трансформаторах, які не входять до складу інвертора — при розрахунках розмір втрат зазвичай визначають в межах 2%

Крім того, часто втрати генерації електроенергії пов’язані з виходом з ладу окремих елементів системи, наприклад, несправність інвертора або коротке замикання в фотоелементах. Скоротити такі втрати можна завдяки своєчасному і повному проведенню техобслуговування станції, а також встановлення системи моніторингу, яка в режимі реального часу буде контролювати ефективність функціонування станції.