Исследование работы солнечной электростанции с двухосевым солнечным трекером

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.

1. Безруких 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. Liu B.Y.H., Jordan R.C. Daily insolation on surfaces tilted toward the equator // ASHRAE Transactions. 1962, Vol. 67. P. 526–541.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. Duffie J.А., Beckman W.А. Solar engineering of thermal processes. Madison, Wisconsin: John Wiley & Sons, 2013. Р. 770–781.

26. 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.