Логотип Рентехно
(044) 332-81-90
Решения возобновляемой энергетики - Превышая ваши ожидания
enuaru

Промислове моделювання сонячних електростанцій

Главная » Блог » Промышленное моделирование солнечных электростанций

Промышленное моделирование солнечных электростанций

Промышленное моделирование солнечных электростанций позволяет решить несколько задач. Инженеры стремятся оптимизировать систему, чтобы получить на выходе максимальную мощность. Инвесторы могут рассчитать, через какое время окупятся их вложения. Теоретические расчеты потребуются в качестве исходной точки при вводе станции в эксплуатацию — они помогут сравнить реальную производительность с рассчитанной, при необходимости — внести соответствующие коррективы.

Для промышленного моделирования солнечных электростанций используются различные программные среды, но на базовом уровне все расчеты сводятся к ответу на два вопроса — как много солнечного излучения получит станция и сколько мощности она сможет выработать.

Как много солнца?

Географическое положение, конфигурация и расположение модулей, окружающие объекты влияют на количество солнечного света, который попадает на фотоэлектрические модули. Географическое положение определяет, сколько солнечного света может быть доступно электростанции. Окружающие объекты определяют, сколько света будет заблокировано, а конфигурация массива (расположение солнечных батарей на местности, способ их установки) определяют, насколько эффективно система сможет принимать и преобразовывать полученную солнечную энергию.

Метеорологические данные

Первый и, пожалуй, основной фактор в определении возможного количества солнечной энергии, которая будет поступать на пластины солнечных батарей — это метеорологические данные. Они дают полное представление о погодных условиях в месте, где планируется развернуть солнечную электростанцию. Как правило, метеорологические данные включают в себя информацию о солнечной активности (глобальное излучение, прямое, диффузное), а также о преобладающих направлениях ветра и его скорости, облачном покрове, количеством осадков и т.д. Данные могут быть получены как за счет многолетних наблюдений, так и из спутниковых измерений, а для некоторых мест, где не проводились метеорологические наблюдения, эти данные могут быть смоделированы.

Метеорологические данные — это большой массив информации, который необходимо проанализировать, поэтому есть организации, которые предоставляют данные в формате, позволяющем легко использовать их в программном обеспечении для расчета солнечных установок. Эти данные могут распространяться как бесплатно (National Renewable Energy Laboratory (NREL) и НАСА, так и на платной основе (Метеонорм и 3Tier). Кроме того, данные, предоставляемые NREL, оптимизированы для их использования в программной среде PVWatts, разработанной самой NREL.

Для примера — американские инженеры для проектных расчетов солнечных электростанций чаще всего используют данные Typical Meteorological Year (TMY), предоставляемые National Renewable Energy Laboratory на основе анализа и обработки информации от National Solar Radiation Data Base (NSRDB). Данные Typical Meteorological Year включают в себя почасовые показатели о солнечной активности и прочие метеоданные за год. Следует понимать, что представленные данные — это усредненные значения, которые получены в течение многолетних наблюдений. При этом данные ежегодно обновляются, что позволяет получить самые свежие метеорологические карты, которые, за счет многолетних наблюдений, можно использовать как индикаторы для долгосрочных расчетов. А вот месячные и ежегодные расчеты могут иметь значительную погрешность, например, годовой прогноз может иметь ошибку порядка ±10%, а прогноз на месяц ±30%.

Радиационные модели

Типичные метеоданные включают в себя три показателя, характеризующие солнечную радиацию в виде излучений, падающих на горизонтальную поверхность:

  • прямое солнечное излучение, которое попадает на землю по прямой линии от Солнца
  • диффузное излучение — часть солнечной энергии, которая попадает на земную поверхность после отражения (рассеивания) от частиц и молекул в атмосфере
  • общее (глобальное) горизонтальное излучение — в идеальных условиях, это сумма прямого и диффузного излучения, но из-за погрешностей измерения это не всегда так.

В метеорологических данных указывается, сколько солнечной радиации приходится на горизонтальную поверхность, но задача проектировщиков заключается в том, чтобы определить, сколько из этого солнечного света попадет на пластины солнечных батарей. Фотоэлектрические системы устанавливаются под наклоном или используют одно- или двухосевый трекеры. Различные программные пакеты позволяют рассчитать, сколько общего горизонтального излучения попадет на плоскости облучаемых солнечных батарей. Точность используемой математической модели зависит как от качества метеоданных, так и от особенностей климата в месте расположения солнечной установки.

В целом радиационные модели практически одинаково рассчитывают прямое солнечное излучение, исходя из данных о времени дня, положении солнца на небосводе (зная широту и долготу места установки солнечной электростанции), после этого можно использовать простую геометрическую формулу для перевода прямого излучения в значение реально принятой плоскостью солнечной батареи солнечной энергии. А вот значение диффузного излучения разные математические модели учитывают по-разному. В самых простых используется предположение, что диффузное излучение имеет одинаковую мощность со всех направлений. В более сложных математических моделях учитывается тот фактор, что диффузное излучение более интенсивно в горизонтальной плоскости, а также в околосолнечной области, непосредственно возле Солнца. В них так же учитывается изменение мощности диффузного излучения в зависимости от угла установки солнечной панели (чем больше угол, тем меньше диффузного излучения улавливают панели), а также в зависимости от чистоты неба, плотности облачного покрова и т.д.

Еще один фактор, который необходимо учитывать при расчете получаемой солнечной энергии — отраженное солнечное излучение, которое поступает на панели, отразившись от земли, крыш и других объектов. Мощность отраженного излучения зависит от коэффициента отражения поверхности, а также от угла установки панелей. Если угол равен нулю, то массив не получает отраженное солнечное излучение, чем больше угол установки — тем больше отраженного солнечного излучения будет получать модуль. Кроме того, при расчетах следует учитывать и тот факт, что коэффициент отражения поверхности меняется в течение года, например, снежный покров обладает лучшими отражающими показателями, чем просто земля. В некоторых программах расчета (PVsyst и PV*SOL) заложено годовое изменение коэффициента отражения поверхности.

Затенение

Простая оценка количества солнечного излучения, попадающего на плоскость массива фотоэлектрических панелей, не всегда применима. В зависимости от расположения, площади и конфигурации массива солнечных батарей, большие высокие объекты (или даже невысокие, но расположенные достаточно близко) могут блокировать доступ солнечной энергии — другими словами, затенять некоторую площадь массива. Кроме того, близко расположенные установки могут затенять друг друга. Сложность оценки влияния затененности на генерацию электричества заключается в том, что степень затененности площади батарей постоянно меняется из-за движения солнца. Кроме того, для оценки степени падения мощности нельзя использовать прямую зависимость, например, если затененными окажутся 10% модулей, то и падение генерируемой мощности составит 10%. Такое предположение неверно, ведь затенение одной ячейки в модуле непропорционально влияет на производительность целого модуля, строки или даже всего массива. Сложность учета затененности еще и в том, учитывается ли каждый случай затененности отдельно или они сгрупированны — в последнем случае точность расчета снижается.

Точно определить, как затенение повлияет на снижение генерации электричества, очень трудно. Даже если проводить исследования непосредственно на местности, чтобы определить влияние расположенных рядом объектов, определить коэффициент падения мощности будет достаточно проблематично.

Загрязнение

Дополнительный фактор, который приводит к снижению эффективности работы солнечной электростанции — загрязнение плоскости пластин солнечных батарей. Пыль, снег, птичий помет и другие загрязняющие частицы снижают попадание солнечного света, что и приводит к сокращению выработки электроэнергии. Потери мощности, вызванные загрязнением массива, зависят от угла наклона, под которым установлены панели, количества и сезонной изменчивости осадков, количества снегопадов, а так же особых условий для конкретного участка, например, близко расположенное производство или большая стройка, оживленная автотрасса или прочие объекты хозяйствования, создающие много пыли (подробнее об оценке потерь, вызванных запыленностью, можно почитать здесь). Большинство программ позволяет ввести только коэффициент, который оценивает ежегодные потери, вызванные загрязнением массива. Но такой подход не дает возможность оценить потери в течение некоторого отрезка времени, ведь потери часто носят сезонный характер.

Как много энергии?

Второй шаг при промышленном моделировании солнечной электростанции — определение её эффективности, то есть количества энергии, которое будет получено при преобразовании солнечной энергии, попавшей на установку, в потребляемую энергию.

Модели производительности солнечных установок

Существует несколько программных продуктов, которые позволяют провести расчеты выходной мощности как одной солнечной батареи, так и целого массива. Они позволяют с различной точностью рассчитать выходную мощность, ниже мы рассмотрим наиболее популярные у проектировщиков программы.

Модель производительности Sandia (Sandia performance model)

Программный продукт, выпущенный в 2004 году Sandia National Laboratories, это одна из наиболее точных и надежных моделей для проведения расчетов. Точность расчетов обусловлена использованием большого количества коэффициентов, учитывающих как особенности массива (как установлены модули, угол наклона, взаимное затенение и т.д.), показатели солнечной активности и освещенности (изменение коэффициента отражения, диффузное излучение и его вариативность и т.д.), а также электрические характеристики (температурный коэффициент мощности, напряжения и тока). Проведенные тесты показывают, что различие реальных значений выходной мощности от полученных при расчете с использованием Sandia performance model составляет порядка 1%.

Как часть программного обеспечения, Sandia performance model используется в таких программных пакетах как System Advisor Model (SAM) и PV-DesignPro. Основная проблема, связанная с использованием Sandia performance model заключается в том, что база данных содержит информацию о фотоэлектрических модулях, которые были протестированы непосредственно в лаборатории Sandia. А это значит, что в базе данных часто нет данных по самым новым, недавно выпущенным модулям.

Модель единственного диода

Данная модель подразумевает, что поведение ячейки фотоэлектрического модуля можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из источника энергии, диода и двух-трех резисторов (рис. 1).

Рис. 1. Эквивалентная схема фотоэлектрического модуля.

Источник ЭДС и диод представляют собой практически идеальную модель солнечной батареи, а использование резисторов позволяет смоделировать реальные потери, например, текущие утечки или сопротивление между полупроводником и металлическими контактами. Используя эту схему, можно составить уравнения, которые будут описывать текущие характеристики и характеристики напряжения эквивалентной схемы, при этом данные для уравнения можно получить из спецификации, указанной производителем, например, напряжение разомкнутой цепи или ток короткого замыкания. Модель единственного диода используется в качестве математической модели в программных пакетах PVsyst и SAM.

Модель PVFORM

Математическая модель, используемая PVWatts — это упрощенная модель Sandia performance model. Эта модель использует скорость ветра, температуру окружающей среды и расчет солнечного излучения, попадающего на площадь массива, чтобы получить значение рабочей температуры солнечной батареи, позволяя в итоге получить значение выходной мощности. Используемые приближения и упрощения позволяют проводить очень точные расчеты для прозрачных кремниевых модулей, но не подходят для расчета тонкопленочных модулей.

Потери при генерации постоянного тока

Основными параметрами, которые определяют величину постоянного тока, генерируемого для определенного уровня освещенности, являются:

  • эффективность технологии, которая используется в солнечных батареях
  • температура модуля
  • температурный коэффициент, т.е. как влияет повышение температуры модуля на генерацию тока.

Кроме того, при моделировании производства следует обязательно учитывать точность данных, которые указаны в паспорте фотоэлектрической панели, падение напряжения на диодах и соединениях в модуле, сопротивление проводов, по которым идет постоянный ток, временная деградация модуля.

Обычно при расчетах, после получения теоретической мощности, используют несколько понижающих коэффициентов, которые позволяют получить более реальное значение мощности, которая будет подана на инверторы. Ниже приводятся несколько факторов, которые влияют на точность расчетов.

Паспортные данные. Производители модулей в паспорте изделия указывают диапазон точности, с которой была измерена мощность. Например, +/- 5%. Для модуля мощностью в 250 Вт реальная выходная мощность может оказаться менее 240 Вт.

Потери постоянного электрического тока. Многие производители просто указывают в паспорте коэффициент потерь, который можно использовать для расчетов. Впрочем, в некоторых программных средах, таких как PVsyst, PV*SOL и PV-DesignPro можно указать материал проводника, его сечение, размер и длину провода, чтобы достаточно точно рассчитать потери, вызванные сопротивлением проводника.

Эффект несоответствия модулей. Эффект несоответствия начинает проявляться из-за того, что в одном модуле соединены элементы, имеющие различные свойства (их вольтамперные характеристики не идентичны). Кроме того, они могут работать в разных условиях, например, некоторая часть модуля может оказаться затененной. В результате, выходные параметры фотоэлектрического модуля определяются характеристикам солнечного элемента, имеющего самые низкие параметры. И хотя использование МРРТ инверторов позволяет автоматически поддерживать работу модуля в точке с максимальной мощностью, потери из-за рассогласования (несоответствия) модулей составляют порядка 2%.

Эффективность MPPT инверторов. В целом, как показывают данные исследований, эффективность МРРТ инверторов составляет 98-100%

Деградация модулей. При промышленном моделировании обязательно необходимо учитывать тот факт, что со временем мощность солнечных модулей падает. Этот процесс называется деградацией, при стандартных условиях за год фотоэлектрический модуль теряет порядка 1% мощности. Впрочем, у современных моделей этот показатель несколько ниже, большинство производителей гарантируют, что за 25 лет эксплуатации модуля его мощность уменьшится до 85% от исходного значения. Деградация зависит от материалов, которые используются в солнечной панели, для кристаллических модулей падение мощности составляет порядка 0,5% в год, а вот для многих тонкопленочных модулей она может даже превышать 1%.

Потери, вызванные преобразованием в переменный ток

К сожалению, процесс преобразования постоянного тока в переменный, происходящий в инверторах, неизбежно связан с потерями мощности. При этом можно выделить несколько факторов, которые влияют на величину потерь:

  • потери из-за сопротивления проводника, при этом величина потерь напрямую связана с силой тока
  • потери на трансформаторах, которые не входят в состав инвертора — при расчетах размер потерь обычно определяют в пределах 2%

Кроме того, часто потери генерации электроэнергии связаны с выходом из строя отдельных элементов системы, например, неисправность инвертора или короткое замыкание в фотоэлементах. Сократить такие потери можно благодаря своевременному и полному проведению техобслуживания станции, а также установке системы мониторинга, которая в режиме реального времени будет контролировать эффективность функционирования станции.

Подробнее о программном обеспечении, которое используется при проектировании солнечных электростанций, можно прочитать, перейдя по этой ссылке.


Печать

Остались вопросы по назначению наших услуг?
Оставьте нам заявку. Наши специалисты проконсультируют Вас

Тема вашего запроса
Заказать звонок

^