Инструменты моделирования солнечных электростанций

Расчет солнечной электростанции позволяет точно спрогнозировать объемы генерирования фотомодулями (солнечными батареями) электроэнергии для конкретных условий местности при условии, что все компоненты системы будут смонтированы и подключены верно. 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 разнообразных задач:

• разработки проектов электрификации новых объектов
• проведения оптимизации монтажа и эксплуатации уже функционирующих солнечных электростанций
• проведения предварительных расчетов для заключения контрактов или подготовки коммерческого предложения
• расчета КПД установленной системы
• согласования взаимодействия солнечной электростанции с энергосистемой общего пользования
• 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 решаемых задач, 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 проводимые расчеты. К примеру, 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 межрядных потерь из-за затенения в проектах со следящими системами. Об эффективности и востребованности данной программы говорит и посещаемость сайта — порядка 20 тысяч пользователей ежемесячно.

System Advisor Model (SAM)

Более сложная, но при этом — более точная модель, рассчитана 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, которые воспроизводят технологии генерации электроэнергии. SAM позволяет не только точно рассчитывать производительность солнечных электростанций, но и получить стоимость вырабатываемой электроэнергии с учетом проектных и эксплуатационных затрат. В программе заложено восемь различных финансовых моделей возможного использования фотоэлектрических систем.

Из других достоинств стоит отметить:

• более точный учет экологических факторов и изменчивости природы — есть возможность загрузки базы данных метеонаблюдений за несколько лет как из Интернета, так и ввода собственных данных
• наличие нескольких библиотек данных, в которых занесены характеристики компонентов системы: фотоэлектрических модулей, инверторов, параболических приемников и коллекторов и т.д.
• возможность корректирования финансовых показателей (ставки кредитования, уровня инфляции, тарифов для жилых зданий и коммерческих предприятий)
• учет в финансовых моделях затрат на установку (включая закупку оборудования, выплаты рабочих, аренду техники, проектные затраты, затраты 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 различные показатели, которые интересуют 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 различных разработчиков, которое позволяет нашим инженерам решать как достаточно общие, так и специализированные задачи по расчету солнечных электростанций.

Helioscope

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

ПО позволяет проводить расчет как крышных, так и наземных конструкций солнечных батарей, его можно использовать для проектирования солнечных электростанций как для жилого фонда, так и коммерческой недвижимости. Первоначально программа Helioscope позволяла моделировать солнечные электростанции мощностью до 5 МВт, но с начала 2016 она позволяет проводить 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 пользовательский интерфейс, который позволяет легко обучиться и ориентироваться в возможностях программы. Кроме того, стоит отметить:

• наличие специального плагина, позволяющего строить 3-D модели для расчетов потерь, которые вызваны 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 её для анализа и оптимизации общего дизайнерского решения дома (объекта). Допустим и обратный процесс, когда основываясь на архитектурном решении дома и близлежащих объектов, можно рассчитать, насколько будут затеняться солнечные батареи и к каким потерям это может привести
• возможность использования различных метеорологических баз, в том числе — ввод пользовательских файлов, содержащих информацию о погоде для конкретной местности.

HOMER Pro

Целевая аудитория данного инструментария — проектировщики, исследователи и системные инженеры, проектирующие/настраивающие электрические микросети для кампусов, небольших поселков и деревень, военных баз или островов. Если для расчета мощности солнечной электростанции в программе используется достаточно простая формула, дающая в целом удовлетворительный результат с достаточно большой погрешностью, то основным достоинством её является возможность моделирования гибридных микросистем — сложных энергетических конструкций, включающих в себя несколько энергетических ресурсов. Программа позволяет интегрировать в единую систему различные источники энергии — ветровые и гидрогенераторы, солнечные батареи, промышленную/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 используемого оборудования. 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 доступно 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 возобновляемой энергии, точного моделирования централизованного теплоснабжения и крупномасштабных систем технологического тепла. Основные пользователи приложения — консультанты в области энергетики, проектанты и инженеры-разработчики. Кроме того, приложение 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 внесения корректив
• 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 расходов на ТО и эксплуатацию
• большой 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 проводить расчеты и проектирование солнечных электростанций, систем тепловых насосов и гелиотермических установок, а также проводить финансовые расчеты в сфере электро- и теплоснабжения зданий. Основным достоинством которой является возможность моделирования с 3D визуализацией, что дает возможность провести точный анализ затенения фотоэлектрических систем. Простой, интуитивно понятный интерфейс позволяет точно воссоздать 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 оптимального значения мощности генерируемой энергии.

На сегодняшней день активно используются три варианта программы:

• PV*SOL premium — позволяет проектировать подключение в сеть фотоэлектрических установок, созданная модель дает возможность получить информацию о генерируемой и потребляемой энергии, возможности накопления её в батарейных установках. Программа позволяет создать 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, вызываемые 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 затененности для вращающихся фотоэлектрических систем.

Отметим и другие особенности и преимущества:

• программа имеет большую библиотеку данных по различным фотоэлектрическим системам и устройствам, в том числе по тонкопленочным элементам
• получение метеоданных для любой точки местности из Meteonorm
• высокая точность проведения расчетов, в среднем отклонение 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 описывающих 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 передовые инструменты для моделирования солнечных электростанций, наши специалисты проведут расчет солнечных электростанций любой сложности, с учетом всех факторов и предоставят заказчику полное финансово-экономическое обоснование всех работ.