ПО для моделирования солнечных электростанций

Расчет солнечной электростанции позволяет достаточно точно спрогнозировать объемы генерирования фотомодулями (солнечными батареями) электроэнергии для конкретных условий местности при условии, что все компоненты системы будут смонтированы и правильно подключены. Инструменты для моделирования солнечных электростанций — это ряд математических уравнений, позволяющих рассчитать входную и выходную мощность для установленных фотоэлектрических компонентов, чтобы, основываясь на полученных данных, составить почасовой график генерации электроэнергии солнечными электростанциями. В дальнейшем, объединив полученные значения для разных времен года, можно с высокой точностью составить годовой график производства электроэнергии.

Инструменты для расчета и моделирования солнечных электростанций используются нашей компанией для решения различных задач:

• разработки проектов электрификации новых объектов;
• проведение оптимизации монтажа и эксплуатации уже функционирующих солнечных электростанций;
• проведение предварительных расчетов для заключения контрактов или подготовки коммерческого предложения;
• расчета КПД установленной системы;
• согласование взаимодействия солнечной электростанции с энергосистемой общего пользования и выполнения энергетических расчетов и тестов.

Моделирование солнечных электростанций: обзор программного обеспечения

В своей работе наши разработчики систем и проектов, инженеры и наладчики, в зависимости от потребностей и задач, которые нужно решить, пользуются как открытыми (бесплатными), так и платными инструментами моделирования солнечных электростанций. Ниже приводится краткий обзор программного обеспечения, которое мы активно используем в своей работе.

Бесплатное программное обеспечение

Основным разработчиком бесплатного программного обеспечения, позволяющего проводить моделирование солнечных электростанций, выступает Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (The National Renewable Energy Laboratory — NREL, США), которая предлагает он-лайн два открытых программных пакета.

PVWatts

Фактически, это он-лайн калькулятор (pvwatts.nrel.gov), который позволяет пользователю оценить производительность солнечной электростанции. Она рассчитана на пользователя, имеющего базовое представление о функционировании солнечных батарей и желающего самостоятельно убедиться в той выгоде, которую он получит после их установки.

В 2014 году разработчики существенно обновили и модифицировали программу, значительно оптимизировав пользовательский интерфейс. Кроме того, более точными стали произведенные расчеты. Например, в ранней версии PVWatts значение реальной мощности по умолчанию рассчитывалось на уровне 77% от указанного номинала, то теперь при расчетах по умолчанию потери составляют 14%. Кроме того, более высокие показатели (около 7-9%) могут быть получены за счет учета того, что фотоэлектрические системы могут устанавливаться с фиксированным наклоном. В новой версии PVWatts можно учитывать базы Google Maps с данными о погоде и инсоляции, хотя учитываются статистические данные всего за один год. Точность полученных данных увеличилась и за счет учета эффективной мощности солнечной электростанции и оценки междурядных потерь из-за затенения в проектах с системами наблюдения. Об эффективности и востребованности данной программы говорит и посещаемость сайта — около 20 тысяч пользователей ежемесячно.

System Advisor Model (SAM)

Более сложная, но при этом более точная модель, рассчитанная на профессиональных пользователей: инженеров, исследователей, разработчиков проектов и производителей оборудования. Как и многие современные системы моделирования, SAM производит расчет производительности солнечной электростанции, используя сразу несколько компьютерных математических моделей, воспроизводящих технологии генерации электроэнергии. SAM позволяет не только точно рассчитывать производительность солнечных электростанций, но и получить стоимость производимой электроэнергии с учетом проектных и эксплуатационных затрат. В программе заложено восемь различных финансовых моделей возможного использования фотоэлектрических систем.

Из других преимуществ следует отметить:

• более точный учет экологических факторов и изменчивости природы — есть возможность загрузки базы данных метеонаблюдений за несколько лет как из Интернета, так и введения собственных данных;
• наличие нескольких библиотек данных, в которых занесены характеристики компонентов системы: фотоэлектрических модулей, инверторов, параболических приемников и коллекторов и т.д.;
• возможность корректировки финансовых показателей (ставок кредитования, уровня инфляции, тарифов для жилых домов и коммерческих предприятий);
• учет в финансовых моделях расходов на установку (включая закупку оборудования, выплаты рабочим, аренду техники, проектные расходы, расходы на землю— аренду или покупку), а также расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание.

SAM позволяет просматривать результаты как в виде графиков, так и в виде таблиц, отображая самые разные показатели, интересующие пользователя, например, суточный почасовой график генерирования электроэнергии, годовой объем производства электроэнергии или детализация годовой прибыли за продажу электричества. Полученные отчеты можно импортировать и помещать в презентации, отчеты или коммерческие предложения.

Платное программное обеспечение

На сегодняшний день на рынке достаточно много предложений программного обеспечения от разных разработчиков, которое позволяет нашим инженерам решать как достаточно общие, так и специализированные задачи по расчету солнечных электростанций.

Helioscope

Это одна из наиболее современных расчетных платформ, которая появилась в 2014 году. Ее целевая аудитория — менеджеры и разработчики новых проектов, инженеры, системные проектировщики, а также технические специалисты, занимающиеся продвижением и продажей проектов.

ПО позволяет производить расчет как кровельных, так и наземных конструкций солнечных батарей, его можно использовать для проектирования солнечных электростанций как для жилого фонда, так и коммерческой недвижимости. Сначала программа Helioscope позволяла моделировать солнечные электростанции мощностью до 5 МВт, но с начала 2016 года она позволяет производить расчеты для систем мощностью до 100 МВт. Кроме того, программа позволяет рассчитывать финансовые показатели исходя из введенных коммунальных тарифов и других данных.

Helioscope имеет простой, интуитивно понятный интерфейс, позволяющий легко научиться и ориентироваться в возможностях программы. Кроме того, следует отметить:

• специальный плагин, позволяющий строить 3-D модели для расчетов потерь, вызванных затенением;
  система позволяет смоделировать физическое расположение объектов на поверхности земли, используя данные Google Earth;
• возможность передачи полученных моделей в систему автоматизированного проектирования, что позволяет существенно ускорить процесс создания плана строительства;
• так как Helioscope позволяет смоделировать физическое расположение всех компонентов солнечной электростанции, архитекторы часто используют ее для анализа и оптимизации общего дизайнерского решения дома (объекта). Допустимый и обратный процесс, когда основываясь на архитектурном решении дома и близлежащих объектов, можно рассчитать, насколько будут затенять солнечные батареи и к каким потерям это может привести;
• возможность использования различных метеорологических баз, в том числе — ввод файлов пользователем, содержащим информацию о погоде для конкретной местности.

HOMER Pro

Целевая аудитория данного программного пакета — проектировщики, исследователи и системные инженеры, проектирующие или настраивающие электрические микросети для кампусов, небольших поселков и сел, военных баз или островов. Если для расчета мощности солнечной электростанции в программе используется достаточно простая формула, дающая в целом удовлетворительный результат с большой погрешностью, то основным преимуществом ее является возможность моделирования гибридных микросистем — сложных энергетических конструкций, включающих в себя. Программа позволяет интегрировать в единую систему различные источники энергии — ветровые и гидрогенераторы, солнечные батареи, промышленную или бытовую электросеть, топливные элементы, комбинированные производители тепла и электроэнергии, а также различные устройства накопления и хранения электроэнергии.

Основной принцип, заложенный в основу моделирования энергосистем от HOMER Pro — минимизация затрат. Программа, исходя из стартовых условий, может предложить одновременно до сотни различных системных конфигураций, которые затем проанализирует, исходя из действующих цен на коммунальные услуги и стоимости оборудования, которое было использовано для создания энергосистемы. Другой вариант — проведение расчета того, насколько изменится стоимость генерируемой электроэнергии при замене одного источника/генератора на другой.

Polysun

Швейцарский SPF Institut für Solartechnik занимается выпуском и обновлением программы Polysun с 1992 года. На сегодняшний день есть два варианта этой программы:

• Professional — инструмент для ежедневного использования, упрощенный вариант, рассчитанный на специалистов отделов продаж и монтажников, позволяет получать расчет и создавать коммерческое предложение в течение считанных минут.
• Designer — программа, позволяющая максимально гибко и точно проектировать системы генерации электроэнергии на основе возобновляемых источников энергии, точного моделирования централизованного теплоснабжения и крупномасштабных систем технологического тепла. Основные пользователи программы — консультанты в области энергетики, проектанты и инженеры-разработчики. Кроме того, программа позволяет анализировать и выдавать предложения по оптимизации действующих энергосистем.

Пользователь получает всесторонний и полный технический расчет системы, содержащей всю информацию, которая позволит легко убедить потенциального клиента в перспективности и экономической целесообразности установки солнечной электростанции.

Отметим основные преимущества программы:

• программа имеет русско- и украиноязычную версию;
• достаточно указать точку на карте, и программа самостоятельно подтягивает данные за несколько лет, используя данные Meteotest;
• большая база готовых шаблонных решений для проектирования систем отопления/охлаждения помещения, приготовления горячей воды, функционирования бассейнов, создания комбинированных систем, возможность корректировки проекта исходя из особенностей здания;
• создание полей солнечных батарей (до 10 тысяч установок);
  временная оценка (почасово, ежедневно, еженедельно и т.д.) энергетических потоков, изменения температур и тепловых потерь любого компонента, входящего в систему, визуализация данных в виде гистограмм или графиков;
• проведение финансового анализа — годовая экономия затрат на топливо после установки солнечной электростанции, период окупаемости с учетом затрат на приобретение оборудования, текущих затрат на ТО и эксплуатацию;
• крупный банк данных различных сертифицированных фотомодулей и другого оборудования;
• учет в расчетах факторов загрязнения, ветра, затененности и т.д.

PV*SOL

Инструмент для моделирования солнечных электростанций выпускаемый немецкой компанией Valentin Software с 1999 года. Это динамическая программа, позволяющая производить расчеты и проектирование солнечных электростанций, систем тепловых насосов и гелиотермических установок, а также производить финансовые расчеты в сфере электро- и теплоснабжения зданий. Основным преимуществом которой является проведение моделирования с 3D визуализацией, что позволяет провести точный анализ затенения фотоэлектрических систем. Простой, интуитивно понятный интерфейс позволяет точно воспроизвести местность, на которой планируется установка солнечной электростанции, чтобы на основе полученной модели получить полную информацию о затенении фотоэлементов в любое время года и суток. Полученная информация дает возможность оптимизировать расположение фотоэлементной базы для получения максимального значения мощности генерируемой энергии.

На сегодняшний день активно используются три варианта программы:

• PV*SOL premium — позволяет проектировать подключение в сеть фотоэлектрических установок, созданная модель дает возможность получить информацию о генерировании и потреблении энергии, возможности накопления ее в батарейных установках. Программа позволяет создать 3D-визуализацию местности с установкой на ней до 5000 фотоэлектрических модулей (и до 100 тысяч модулей в 2D). Кроме того, именно в ней можно подобрать оптимальное размещение фотоэлектропанелей на крышах со сложным профилем.
• PV*SOL premium позволяет наиболее точно рассчитать потери, вызванные затенением панелей. Кроме того, в программе реализована очень точная математическая модель функционирования литий-ионных аккумуляторов, что очень важно для расчета систем с накоплением энергии;
• T*SOL — приложение, позволяющее подобрать оптимальные параметры для солнечных установок, определить необходимую площадь поля и емкость аккумуляторов, а также произвести подсчет рентабельности эксплуатации солнечной электростанции;
  GeoT*SOL — одна из лучших программ для проектирования систем отопления на основе тепловых насосов.

PVsyst

Пакет программного обеспечения, разработанный в Университете Женевы в 1992 году, активно используется для моделирования, отладки, изучения и анализа данных и процессов, протекающих в фотоэлектрических системах. Основные пользователи пакета программного обеспечения — инженеры-разработчики, исследователи и архитекторы. Приложение позволяет проводить расчеты эффективности и выполнять экономически обоснованные оценки производства энергии как для коммерческого, так и частного использования. Приложение подходит для проектирования как статических фотоэлектрических систем, так и динамических (с вращением по одной или двум осям). Кроме того, программа содержит алгоритмы, позволяющие рассчитывать изменение затенения для фотоэлектрических систем, которые могут вращаться.

Отметим и другие особенности и преимущества:

• программа имеет обширную библиотеку данных по различным фотоэлектрическим системам и устройствам, в том числе по тонкопленочным элементам;
• получение метеоданных для любой точки местности с Meteonorm;
• высокая точность проведения расчетов, в среднем отклонении реальных показателей мощности от проектных не превышает 2%;
• использование обновленных алгоритмов, позволяющих максимально точно моделировать затененность элементов, в том числе за счет построения анимационных 3D моделей. Они могут использоваться как для проведения расчетов, так и для архитектурного проектирования или презентаций для потенциальных заказчиков;
• реализация в программе математических моделей; достаточно точно описывают негативные факторы, приводящие к потерям генерации электроэнергии и внутри системы — это позволяет не только получать точные результаты, но и искать пути минимизации потерь;
• представление расчетов в виде графиков и таблиц в зависимости от угла наклона и азимута установки панелей.

На сегодняшний день PVsyst — один из наиболее востребованных инструментов для моделирования солнечных электростанций среди инженеров и менеджеров, занимающихся реализацией промышленных солнечных электростанций.

Используя самые современные инструменты для моделирования солнечных электростанций, наши специалисты проведут расчет солнечных электростанций любой сложности, с учетом всех факторов и предоставит заказчику полное финансово-экономическое обоснование всех работ.