ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2023-4-737-748HNSEUIipolytech-759Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGИсследование работы солнечной электростанции с двухосевым солнечным трекеромOperation of a solar power plant with dual-axis solar trackerhttps://orcid.org/0000-0002-6640-8434МитрофановС. В.MitrofanovS. V.

Митрофанов Сергей Владимирович, к.т.н., доцент, доцент кафедры электро- и теплоэнергетики, директор Института энергетики, электроники и связи

460018, г. Оренбург, просп. Победы, 13

Sergey V. Mitrofanov, Cand. Sci (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Electrical and Thermal Power Engineering, Director of the Institute of Energy, Electronics and Communications

13 Pobedy pr., Orenburg 460018

mitser2002@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6640-8434БайкасеновД. К.BaykasenovD. K.

Байкасенов Дамир Куандыкович, аспирант

460018, г. Оренбург, просп. Победы, 13

Damir K. Baykasenov, Postgraduate student

13 Pobedy pr., Orenburg 460018

baykasenov@yandex.ruОренбургский государственный университетРоссияOrenburg State UniversityRussian Federation202310012024274737748Copyright © Митрофанов С.В., Байкасенов Д.К., 20242024Митрофанов С.В., Байкасенов Д.К.Mitrofanov S.V., Baykasenov D.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/759

Цель – оценка выработки электрической энергии солнечной электростанцией, оснащенной системой слежения за Солнцем с помощью метода расчета солнечной инсоляции ASHRAE (чистого неба). Математический алгоритм реализован с помощью системы MathCad c выгрузкой и анализом данных в Microsoft Excel. Для достижения цели использовались данные о выработке электроэнергии за месяц и период эксплуатации в течение 2022–2023 гг. солнечными станциями с оптимальным неизменяющимся углом наклона солнечной панели и с системой слежения за Солнцем. Приведенный алгоритм расчета выработанной электроэнергии солнечной станцией, с учетом изменяющейся температуры окружающего воздуха, запыленности и пропускания солнечного света покрытием солнечной фотоэлектрической панели, позволил спрогнозировать выработку электроэнергии со средней абсолютной ошибкой от 0,22 до 9,8. С помощью специализированного программного обеспечения MathCad разработана математическая модель для определения солнечной инсоляции для произвольного дня и географических координат местности, на которой предполагается строительство солнечной электростанции. Приведенные экспериментальные и расчетные исследования для выбранных ясных дней, с учетом погодных условий, показали адекватность рассматриваемого метода и возможность его использования для прогнозирования выработки электроэнергии с различными углами наклона солнечной фотоэлектрической панели. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что солнечная станция с системой слежения за Солнцем выработала за год на 37% больше электроэнергии, чем станция с неподвижными солнечными панелями. Метод расчета солнечной инсоляции ASHRAE (чистого неба) позволяет оценить объем выработанной электроэнергии для произвольного региона с минимальными входными данными. В дальнейшем будет проведена работа по поиску и совершенствованию методов для прогнозирования выработки электроэнергии солнечной электростанцией в пасмурные дни.

The paper evaluates the generation of electrical energy by a solar power plant equipped with a solar tracking system using the ASHRAE clear-sky method for calculating solar insolation. The mathematical algorithm uses the MathCad system with data export and analysis in Microsoft Excel. Collected over a month and the operation period in 2022–2023, data on electricity generation by solar stations characterised by an optimal constant angle of inclination of the solar panel and equipped with a solar tracking system were used. By taking into account the varying ambient temperature, dust content, and solar transmission by the solar panel coating, the given algorithm allowed electricity generation by a solar panel to be forecasted with an average absolute error ranging from 0.22 to 9.8. To determine solar insolation for a specific day and the geographical coordinates of the intended construction site of a solar power plant, a mathematical model was developed using MathCad software. The experimental and computational studies carried out on selected clear days, accounting for varying weather conditions, demonstrated the adequacy of this method and its applicability for forecasting electricity generation with different inclination angles of a solar panel. It was established that a solar power plant with a solar tracking system generated 37% more electricity per year than that with fixed solar panels. The ASHRAE Clear-Sky method for calculating solar insolation allows the amount of electricity generated for a specific region to be estimated with minimal input data. Further research will focus on defining and improving methods for forecasting electricity generation by a solar power plant on overcast days.

инсоляциясолнечная электростанцияугол наклонафотоэлектрическая панельсистема слеженияinsolationsolar power planttilt anglephotovoltaic paneltracking systemReferencesБезруких П.П. Тенденции развития электроэнергетики мира в XXI веке // Вестник Московского энергетического института. Вестник МЭИ. 2022. № 3. С. 43–52. https://doi.org/10.24160/1993-6982-2022-3-43-52. EDN: RSVNKW.Bezrukih P.P. Development trends of the global electric power industry in the 21st century. Vestnik Moskovskogo ehnergeticheskogo institute = Bulletin of Moscow Power Engineering Institute. 2022;3:43-52. (In Russ.). https://doi.org/10.24160/1993-6982-2022-3-43-52. EDN: RSVNKW.Обухов С.Г., Плотников И.А. Выбор параметров и анализ эффективности применения систем слежения за солнцем // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329. № 10. С. 95–106. https://doi.org/10.18799/24131830/2018/10/2109. EDN YNVYDZ.Obukhov S.G., Plotnikov I.A. Choosing the parameters and analyzing the efficiency of solar tracking systems. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov = Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2018;329(10):95-106. (In Russ.). https://doi.org/10.18799/24131830/2018/10/2109. EDN DAVIDS.Aguila-Leon J., Vargas-Salgado C., Chiñas-Palacios C.D., Díaz-Bello D. Solar photovoltaic maximum power point tracking controller optimization using grey wolf optimizer: a performance comparison between bio-inspired and traditional algorithms // Expert Systems With Applications. 2023. Vol. 211. Iss. 5. Р. 118700. https://doi.org/10.1016/j.eswa.2022.118700.Aguila-Leon J., Vargas-Salgado C., Chiñas-Palacios C.D., Díaz-Bello D. Solar photovoltaic maximum power point tracking controller optimization using grey wolf optimizer: a performance comparison between bio-inspired and traditional algorithms. Expert Systems with Applications. 2023;211(5):118700. https://doi.org/10.1016/j.eswa.2022.118700.Hanzaei S.H., Gorji S.A., Ektesabi M. A scheme-based Review of MPPT techniques with respect to input variables including solar irradiance and pv arrays’ temperature // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 182229–182239. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3028580.Hanzaei S.H., Gorji S.A., Ektesabi M. A scheme-based review of MPPT techniques with respect to input variables including solar irradiance and PV arrays’ temperature. IEEE Access. 2020;8:182229-182239. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3028580.Dhawan A., Malik O.P., Kumar R. Solar tracker implementation using MATLAB/SIMULINK // Journal of Emerging Technologies and Innovative Research. 2018. Vol. 5. Iss. 5. Р. 178–189.Dhawan A., Malik O.P., Kumar R. Solar tracker implementation using MATLAB/SIMULINK. Journal of Emerging Technologies and Innovative Research. 2018;5(5):178-189.Мухамбедьяров Б.Б., Лукичев Д.В., Полюга Н.Л. Исследование алгоритмов поиска точки максимальной мощности для повышения эффективности фотоэлектрических преобразователей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 6. С. 1099–1107. https://doi.org/10.17586/2226-14942018-18-6-1099-1107.Mukhambedyarov B.B., Lukichev D.V., Polyuga N.L. Study of maximum power point tracking algorithms for efficiency growth of photovoltaic cells. Nauchno-tekhnicheskij vestnik informacionnyh tekhnologij, mekhaniki i optiki = Scientific and Technical Bulletin of information Technologies, Mechanics and Optics. 2018;18(6):1099-1107. (In Russ.). https://doi.org/10.17586/22261494-2018-18-6-1099-1107.AL-Rousan N., Isa N.A.M., Desa M.K.M. Advances in solar photovoltaic tracking systems: a review // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018. Vol. 82. Iss. 1. P. 2548–2569. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.09.077.AL-Rousan N., Isa N.A.M., Desa M.K.M. Advances in solar photovoltaic tracking systems: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018;82(1):2548-2569. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.09.077.Митрофанов С.В., Немальцев А.Ю., Байкасенов Д.К. Первичная апробация автоматизированного двухкоординатного солнечного трекера в климатических условиях Оренбургской области как перспектива создания программно-аппаратного комплекса // Альтернативная энергетика и экология. 2018. № 7-9. С. 43–54. https://doi.org/10.15518/isjaee.2018.07-09.043-054.Mitrofanov S.V., Nemaltsev A.U., Baykasenov D.K. Primary testing of automated dual-axis solar tracker in the climatic conditions of the Orenburg region as the prospects for the establishment of a hardware-software complex. Al'ternativnaya energetika i ekologiya = Alternative Energy and Ecology. 2018;(7-9):43-54. (In Russ.). https://doi.org/10.15518/isjaee.2018.07-09.043-054.Hafez A.Z., Yousef A.M., Harag N.M. Solar tracking systems: technologies and trackers drive types – a review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018. Vol. 91. P. 754–782. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.094.Hafez A.Z., Yousef A.M., Harag N.M. Solar tracking systems: technologies and trackers drive types – a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018;91:754-782. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.094.Batayneh W., Bataineh A., Soliman I., Hafees S.A. Investigation of a single-axis discrete solar tracking system for reduced actuations and maximum energy collection // Automation in Construction. 2019. Vol. 98. P. 102–109. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2018.11.011.Batayneh W., Bataineh A., Soliman I., Hafees S.A. Investigation of a single-axis discrete solar tracking system for reduced actuations and maximum energy collection. Automation in Construction. 2019;98:102-109. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2018.11.011.Bahrami A., Okoye C.O., Atikol U. The effect of latitude on the performance of different solar trackers in Europe and Africa // Applied Energy. 2016. Vol. 177. P. 896–906. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.05.103.Bahrami A., Okoye C.O., Atikol U. The effect of latitude on the performance of different solar trackers in Europe and Africa. Applied Energy. 2016;177:896-906. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.05.103.De Sá Campos M.H., Tiba C. npTrack: a n-position single axis solar tracker model for optimized energy collection // Energies. 2021. Vol. 14. Iss. 4. P. 925. https://doi.org/10.3390/en14040925.De Sá Campos M.H., Tiba C. npTrack: A n-position single axis solar tracker model for optimized energy collection. Energies. 2021;14(4):925. https://doi.org/10.3390/en14040925.Fodhil F., Hamidat A., Nadjemi O. Potential, optimization and sensitivity analysis of photovoltaic-diesel-battery hybrid energy system for rural electrification in Algeria // Energy. 2019. Vol. 169. P. 613–624. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.12.049.Fodhil F., Hamidat A., Nadjemi O. Potential, optimization and sensitivity analysis of photovoltaic-diesel-battery hybrid energy system for rural electrification in Algeria. Energy. 2019;169:613-624. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.12.049.Abdelshafy A.M., Hassan H., Jurasz J. Optimal design of a grid-connected desalination plant powered by renewable energy resources using a hybrid PSO–GWO approach // Energy Conversion and Management. 2018. Vol. 173. P. 331–347. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.07.083.Abdelshafy A.M., Hassan H., Jurasz J. Optimal design of a grid-connected desalination plant powered by renewable energy resources using a hybrid PSO–GWO approach. Energy Conversion and Management. 2018;173:331-347. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.07.083.Brandoni C., Renzi M. Optimal sizing of hybrid solar micro-CHP systems for the household sector // Applied Thermal Engineering. 2015. Vol. 75. P. 896–907. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.10.023.Brandoni C., Renzi M. Optimal sizing of hybrid solar micro-CHP systems for the household sector. Applied Thermal Engineering. 2015;75:896-907. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.10.023.Mattei M., Notton G., Cristofari C., Muselli M., Poggi P. Calculation of the polycrystalline PV module temperature using a simple method of energy balance // Renewable Energy. 2006. Vol. 31. Iss. 4. P. 553–567. https://doi.org/10.1016/j.renene.2005.03.010.Mattei M., Notton G., Cristofari C., Muselli M., Poggi P. Calculation of the polycrystalline PV module temperature using a simple method of energy balance. Renewable Energy. 2006;31(4):553-567. https://doi.org/10.1016/j.renene.2005.03.010.Bahrami A., Okoye C.O., Atikol U. Technical and economic assessment of fixed, single and dual-axis tracking PV panels in low latitude countries // Renewable Energy. 2017. Vol. 113. P. 563–579. https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.05.095.Bahrami A., Okoye C.O., Atikol U. Technical and economic assessment of fixed, single and dual-axis tracking PV panels in low latitude countries. Renewable Energy. 2017;113:563-579. https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.05.095.Bakhshi-Jafarabadi R., Sadeh J. A comprehensive economic analysis method for selecting the PV array structure in grid–connected photovoltaic systems // Renewable Energy. 2016. Vol. 94. P. 524–536. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.03.091.Bakhshi-Jafarabadi R., Sadeh J. A comprehensive economic analysis method for selecting the PV array structure in grid–connected photovoltaic systems. Renewable Energy. 2016;94:524-536. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.03.091.Khatib T., Deria R. East-west oriented photovoltaic power systems: model, benefits and technical evaluation // Energy Conversion and Management. 2022. Vol. 266. Iss. 15. P. 115810. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115810.Khatib T., Deria R. East-west oriented photovoltaic power systems: model, benefits and technical evaluation // Energy Conversion and Management. 2022. Vol. 266. Iss. 15. P. 115810. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115810.Yadav A.K., Chandel S.S. Tilt angle optimization to maximize incident solar radiation: a review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2013. Vol. 23. Р. 503–513. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.02.027.Yadav A.K., Chandel S.S. Tilt angle optimization to maximize incident solar radiation: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2013;23:503-513. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.02.027.Liu B.Y.H., Jordan R.C. Daily insolation on surfaces tilted toward the equator // ASHRAE Transactions. 1962, Vol. 67. P. 526–541.Liu B.Y.H., Jordan R.C. Daily insolation on surfaces tilted toward the equator. ASHRAE Transactions. 1962;67:526-541.Liu B.Y.H., Jordan R.C. The long-term average performance of flat-plate solar-energy collectors // Solar Energy. 1963. Vol. 7. Iss. 2. P. 53–74. https://doi.org/10.1016/0038-092x(63)90006-9.Liu B.Y.H., Jordan R.C. The long-term average performance of flat-plate solar-energy collectors. Solar Energy. 1963;7(2):53-74. https://doi.org/10.1016/0038-092x(63)90006-9.Обухов С.Г., Плотников И.А. Математическая модель прихода солнечной радиации на произвольноориентированную поверхность для любого региона России // Альтернативная энергетика и экология. 2017. № 1618. С. 43–56. https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.16-18.043-056. EDN: ZEJFDD.Obukhov S.G., Plotnikov I.A. Mathematical model of solar radiation incident on an arbitrarily oriented surface for any region in Russia. Alʹternativnaya energetika i ekologiya = Alternative Energy and Ecology. 2017;16-18:43-56. (In Russ.). https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.16-18.043-056.Коновалов Ю.В., Хазиев А.Н. Расчет инсоляции солнечной фотоэлектрической электростанции с учетом геолокационных и погодных параметров // iPolytech Journal. 2022. Т. 26. № 3. С. 439–450. https://doi.org/10.21285/18143520-2022-3-439-450. EDN: CQEYQC.Konovalov Yu.V., Khaziev A.N. Insolation calculations of a photovoltaic power plant taking into account location-based and weather parameters. iPolytech Journal. 2022;26(3):439-450. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/1814-3520-2022-3-439-450. EDN: CQEYQC.Duffie J.А., Beckman W.А. Solar engineering of thermal processes. Madison, Wisconsin: John Wiley & Sons, 2013. Р. 770–781.Duffie J.А., Beckman W.А. Solar engineering of thermal processes. Madison, Wisconsin: John Wiley & Sons; 2013, р. 770-781.Митрофанов С.В. Выбор оптимального угла наклона солнечных панелей для размещения их в произвольном регионе // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2023. Т. 23. № 1. С. 5–11. https://doi.org/10.14529/power230101. EDN: ZDAYFE.Mitrofanov S.V. Choosing the optimal angle of inclination of solar panels in an arbitrary region. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Energetika = Bulletin of South Ural State University. Series: Power Engineering. 2023;23(1):5-11. (In Russ.). https://doi.org/10.14529/power230101. EDN: ZDAYFE.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.