Інструменти для моделювання сонячних електростанцій

Примітка редакції: Цю статтю було вперше опубліковано у 2016 році. Вона збережена як довідковий огляд програмного забезпечення для моделювання фотоелектричних систем. Функціональні можливості програм, інтерфейси та доступні версії могли змінитися з моменту першої публікації.

Моделювання продуктивності фотоелектричних електростанцій дає змогу досить точно оцінити прогнозований обсяг виробництва електроенергії для конкретних умов майданчика за умови правильного проєктування, монтажу та підключення всіх компонентів системи. Для цього використовуються математичні моделі, що враховують характеристики обладнання, погодні дані та інші параметри, дозволяючи розрахувати погодинний виробіток електроенергії й сформувати прогноз річної генерації. Такі моделі застосовуються для технічного проєктування, оцінки ефективності проєктів, фінансового аналізу та інших завдань у сфері відновлюваної енергетики.

Програмні інструменти для моделювання фотоелектричних систем застосовуються для вирішення таких завдань:

• розробки проєктів електрифікації нових об’єктів;
• проведення оптимізації монтажу та експлуатації вже функціонуючих сонячних електростанцій;
• проведення попередніх розрахунків для укладення контрактів або підготовки комерційної пропозиції;
• оцінки продуктивності фотоелектричної системи;
• узгодження взаємодії сонячної електростанції з енергосистемою загального користування і виконання енергетичних розрахунків і тестів.

Огляд програмного забезпечення для моделювання фотоелектричних систем

Для моделювання продуктивності фотоелектричних систем використовуються різні програмні інструменти — від простих застосунків для попередньої оцінки до професійних платформ, що застосовуються під час розробки промислових проєктів відновлюваної енергетики. Нижче наведено короткий огляд найбільш поширеного програмного забезпечення для моделювання фотоелектричних систем.

Безкоштовне програмне забезпечення

Основним розробником безкоштовного програмного забезпечення, що дозволяє проводити моделювання сонячних електростанцій, виступає Національна лабораторія відновлюваних джерел енергії (The National Renewable Energy Laboratory — NREL, США), яка пропонує онлайн два відкритих програмних пакета.

PVWatts

Фактично, це онлайн калькулятор (pvwatts.nrel.gov), який дозволяє користувачеві оцінити продуктивність сонячної електростанції. Вона розрахована на користувача, що має базове уявлення про функціонування сонячних батарей і який бажає самостійно переконатися в тій вигоді, яку він отримає після їх установки.

У 2014 році розробники істотно оновили і модифікували програму, значно оптимізувавши призначений для користувача інтерфейс. Крім того, більш точними стали проведені розрахунки. Наприклад, в ранній версії PVWatts значення реальної потужності за замовчуванням розраховувалося на рівні 77% від зазначеного номіналу, то тепер при розрахунках за замовчуванням втрати становлять 14%. Крім того, більш високі показники (близько 7-9%) можуть бути отримані за рахунок врахування того, що фотоелектричні системи можуть встановлюватися з фіксованим нахилом. У новій версії PVWatts можна враховувати бази Google Maps з даними про погоду та інсоляції, хоча враховуються статистичні дані всього за один рік. Точність отриманих даних збільшилася і за рахунок обліку ефективної потужності сонячної електростанції і оцінки міжрядних втрат через затінення в проєктах з системами спостереження. Про ефективність і затребуваність даної програми говорить і відвідуваність сайту — близько 20 тисяч користувачів щомісяця.

System Advisor Model (SAM)

Складніша, але при цьому — більш точна модель, розрахована на професійних користувачів: інженерів, дослідників, розробників проєктів і виробників обладнання. Як і багато сучасних систем моделювання, SAM проводить розрахунок продуктивності сонячної електростанції, використовуючи відразу декілька комп’ютерних математичних моделей, які відтворюють технології генерації електроенергії. SAM дозволяє не тільки точно розраховувати продуктивність сонячних електростанцій, а й отримувати вартість виробленої електроенергії з урахуванням проєктних і експлуатаційних витрат. У програмі закладено вісім різних фінансових моделей можливого використання фотоелектричних систем.

З інших переваг варто відзначити:

• більш точний облік екологічних чинників і мінливості природи — є можливість завантаження бази даних метеоспостережень за кілька років як з Інтернету, так і введення власних даних;
• наявність декількох бібліотек даних, в яких занесені характеристики компонентів системи: фотоелектричних модулів, інверторів, параболічних приймачів і колекторів і т.і.;
• можливість коригування фінансових показників (ставок кредитування, рівня інфляції, тарифів для житлових будинків і комерційних підприємств);
• облік в фінансових моделях витрат на установку (включаючи закупівлю обладнання, виплати робочим, оренду техніки, проєктні витрати, витрати на землю — оренду або купівлю), а також витрати на експлуатацію та технічне обслуговування.

SAM дозволяє переглядати результати як у вигляді графіків, так і у вигляді таблиць, відображаючи найрізноманітніші показники, які цікавлять користувача, наприклад, добовий погодинний графік генерування електроенергії, річний обсяг виробництва електроенергії або деталізацію річного прибутку від продажу електрики. Отримані звіти можна імпортувати і поміщати в презентації, звіти або комерційні пропозиції.

Платне програмне забезпечення

На ринку представлено багато комерційних програмних продуктів для моделювання фотоелектричних систем. Вони відрізняються функціональними можливостями, рівнем деталізації розрахунків і цільовою аудиторією — від проєктувальників і девелоперів до дослідників та виробників обладнання.

Helioscope

Це одна з найбільш сучасних розрахункових платформ, яка з’явилася в 2014 році. Її цільова аудиторія — менеджери і розробники нових проєктів, інженери, системні проєктувальники, а також технічні фахівці, що займаються просуванням і продажем проєктів.

ПЗ дозволяє проводити розрахунок як дахових, так і наземних конструкцій сонячних батарей. Його можна використовувати для проєктування сонячних електростанцій як для житлового фонду, так і для комерційної нерухомості. Спочатку програма Helioscope дозволяла моделювати сонячні електростанції потужністю до 5 МВт, але з початку 2016 року вона дозволяє проводити розрахунки для систем потужністю до 100 МВт. Крім того, програма дозволяє розраховувати фінансові показники, виходячи з введених комунальних тарифів і інших даних.

Helioscope має простий, інтуїтивно зрозумілий інтерфейс, який дозволяє легко навчитися і орієнтуватися в можливостях програми. Крім того, варто відзначити:

• спеціальний плагін, що дозволяє будувати 3-D моделі для розрахунків втрат, які викликані затінюванням;
• система дозволяє змоделювати фізичне розташування об’єктів на поверхні землі, використовуючи дані Google Earth;
• можливість передачі отриманих моделей в систему автоматизованого проєктування, що дозволяє істотно прискорити процес створення плану будівництва;
• так як Helioscope дозволяє змоделювати фізичне розташування всіх компонентів сонячної електростанції, архітектори часто використовують її для аналізу і оптимізації загального дизайнерського рішення будинку (об’єкта). Допустимий і зворотний процес, коли грунтуючись на архітектурному рішенні будинку та прилеглих об’єктів, можна розрахувати, наскільки будуть затінювати сонячні батареї і до яких втрат це може призвести;
• можливість використання різних метеорологічних баз, у тому числі — введення файлів користувачем, що містять інформацію про погоду для конкретної місцевості.

HOMER Pro

Цільова аудиторія даного програмного пакета — проєктувальники, дослідники та системні інженери, які проєктують або налаштовують електричні мікромережі для кампусів, невеликих селищ і сіл, військових баз або островів. Якщо для розрахунку потужності сонячної електростанції в програмі використовується досить проста формула, що дає в цілому задовільний результат з досить великою похибкою, то основною перевагою її є можливість моделювання гібридних мікросистем — складних енергетичних конструкцій, що включають у себе кілька енергетичних ресурсів. Програма дозволяє інтегрувати в єдину систему різні джерела енергії — вітрові та гідрогенератори, сонячні батареї, промислову або побутову електромережу, паливні елементи, комбіновані виробники тепла і електроенергії, а також різні пристрої накопичення і зберігання електроенергії.

Основний принцип, закладений в основу моделювання енергосистем від HOMER Pro — мінімізація витрат. Програма, виходячи зі стартових умов, може запропонувати одночасно до сотні різних системних конфігурацій, які потім проаналізує, виходячи з діючих цін на комунальні послуги та вартості обладнання, що було використано для створення енергосистеми. Інший варіант — проведення розрахунку того, наскільки зміниться вартість генерованої електроенергії при заміні одного джерела/генератора на інший.

Polysun

Швейцарський SPF Institut für Solartechnik займається випуском і оновленням програми Polysun з 1992 року. На сьогоднішній день є два варіанти цієї програми:

• Professional — інструмент для щоденного використання, спрощений варіант, розрахований на фахівців відділів продажу і монтажників, дозволяє отримувати розрахунок і створювати комерційну пропозицію протягом лічених хвилин.
• Designer — програма, що дозволяє максимально гнучко і точно проєктувати системи генерації електроенергії на основі відновлюваних джерел енергії, точно моделювати централізоване теплопостачання і великомасштабні системи технологічного тепла. Основні користувачі програми — консультанти в галузі енергетики, проєктанти та інженери-розробники. Крім того, програма дозволяє аналізувати і видавати пропозиції щодо оптимізації діючих енергосистем.

Користувач отримує всебічний і повний технічний розрахунок системи, що містить всю інформацію, яка дозволить легко переконати потенційного клієнта в перспективності та економічної доцільності установки сонячної електростанції.

Відзначимо основні переваги програми:

• програма має російсько- та україномовну версію;
• досить вказати точку на карті, і програма самостійно підтягує дані за кілька років, використовуючи дані Meteotest;
• велика база готових шаблонних рішень для проєктування систем опалення/охолодження приміщення, приготування гарячої води, функціонування басейнів, створення комбінованих систем, можливість коригування проєкту, виходячи з особливостей будівлі;
• створення полів сонячних батарей (до 10 тисяч установок);
• тимчасова оцінка (погодинно, щодня, щотижня і т.д.) енергетичних потоків, зміни температур і теплових втрат будь-якого компонента, що входить до системи, візуалізація даних у вигляді гістограм або графіків;
• проведення фінансового аналізу — річна економія витрат на паливо після установки сонячної електростанції, період окупності з урахуванням витрат на придбання обладнання, поточних витрат на ТО і експлуатацію;
• великий банк даних різних сертифікованих фотомодулів та іншого обладнання;
• облік в розрахунках чинників забруднення, вітру, затіненості і т.д.

PV*SOL

Інструмент для моделювання сонячних електростанцій, що випускається німецькою компанією Valentin Software з 1999 року. Це динамічна програма, що дозволяє проводити розрахунки і проєктування сонячних електростанцій, систем теплових насосів і геліотермічних установок, а також проводити фінансові розрахунки в сфері електро- і теплопостачання будівель. Основною перевагою якої є проведення моделювання з 3D візуалізацією, що дає можливість провести точний аналіз затінення фотоелектричних систем. Простий, інтуїтивно зрозумілий інтерфейс дозволяє точно відтворити місцевість, на якій планується установка сонячної електростанції, щоб на основі отриманої моделі отримати повну інформацію про затінення фотоелементів в будь-який час року і доби. Отримана інформація дає можливість оптимізувати розташування фотоелементної бази для отримання максимального значення потужності енергії, що генерується.

На сьогоднішній день активно використовуються три варіанти програми:

• PV*SOL premium — дозволяє проєктувати підключення до мережі фотоелектричних установок. Створена модель дає можливість отримати інформацію про генерування та споживання енергії, можливості її накопичення в батарейних установках. Програма дозволяє створити 3D-візуалізацію місцевості з установкою на ній до 5000 фотоелектричних модулів (і до 100 тисяч модулів в 2D). Крім того, саме в ній можна підібрати оптимальне розміщення фотоелектропанелей на дахах зі складним профілем. PV*SOL Premium дозволяє найбільш точно розрахувати втрати, викликані затінюванням панелей. Крім того, в програмі реалізована дуже точна математична модель функціонування літій-іонних акумуляторів, що дуже важливо для розрахунку систем з накопиченням енергії;
• T*SOL — додаток, що дозволяє підібрати оптимальні параметри для сонячних установок, визначити необхідну площу поля і ємність акумуляторів, а також зробити підрахунок рентабельності експлуатації сонячної електростанції;
• GeoT*SOL — одна з кращих програм для проєктування систем опалення на основі теплових насосів.

PVsyst

Пакет програмного забезпечення, розроблений в Університеті Женеви в 1992 році, активно використовується для моделювання, налагодження, вивчення і аналізу даних та процесів, що протікають в фотоелектричних системах. Основні користувачі пакета програмного забезпечення — інженери-розробники, дослідники і архітектори. Додаток дозволяє проводити розрахунки ефективності і виконувати економічно обґрунтовані оцінки виробництва енергії як для комерційного, так і приватного використання. Додаток підходить для проєктування як статичних фотоелектричних систем, так і динамічних (з обертанням по одній або двох осях). Крім того, програма містить алгоритми, що дозволяють розраховувати зміну затінення для фотоелектричних систем, що можуть обертатися.

Відзначимо і інші особливості та переваги:

• програма має велику бібліотеку даних по різних фотоелектричних системах і пристроях, в тому числі по тонкоплівкових елементах;
• отримання метеоданих для будь-якої точки місцевості з Meteonorm;
• висока точність проведення розрахунків, в середньому відхилення реальних показників потужності від проєктних не перевищує 2%;
• використання оновлених алгоритмів, що дозволяють максимально точно моделювати затіненість елементів, в тому числі — за рахунок побудови анімаційних 3D-моделей. Вони можуть використовуватися як для проведення розрахунків, так і для архітектурного проєктування або презентацій для потенційних замовників;
• реалізація в програмі математичних моделей; досить точно описують негативні чинники, що призводять до втрат генерації електроенергії і всередині системи — це дозволяє не тільки отримувати точні результати, але і шукати шляхи мінімізації втрат;
• подання розрахунків у вигляді графіків і таблиць залежно від кута нахилу і азимута установки панелей.

На сьогоднішній день PVsyst — один із найзатребуваніших інструментів для моделювання сонячних електростанцій серед інженерів і менеджерів, які займаються реалізацією промислових сонячних електростанцій.

Моделювання продуктивності залишається одним із ключових етапів розробки проєктів у сфері відновлюваної енергетики. Якісна оцінка виробітку електроенергії є основою технічного проєктування, інвестиційного аналізу, фінансування проєктів та подальшого управління активами протягом усього життєвого циклу проєкту.

Дізнайтеся більше про діяльність Авенстон у сфері відновлюваної енергетики: “Девелопмент проєктів”, “Інвестиційні партнерства”, “Реалізація проєктів” та “Управління активами“, або перегляньте всі наші “Напрями діяльності”.