Оптимизация работы солнечной панели при использовании систмемы слежения за Солнцем

В данной работе рассмотрен алгоритм оптимизации работы солнечной панели при использовании системы слежения за Солнцем. Приведены алгоритмы работы устройства и результаты полевых испытаний разработанной системы. В заключении делается вывод о рациональности применения систем слежения за Солнцем.

             I.          Введение

Цель оптимизации работы солнечной панели состоит в увеличении выработки электрической энергии. Возможные способы оптимизации работы солнечной панели – это слежения за точкой максимальной мощности, то есть «подбор» инвертором такого сопротивления, при котором выработанная мощность максимальна. Второй способ оптимизации – установка солнечной панели в оптимальное положение. В большинстве солнечных станций солнечные панели устанавливают в фиксированное положение (угол наклона и азимут) из условия максимизации годовой выработки. Однако, при использовании экономичных систем слежения за Солнцем, работающих по заданному календарному графику можно добиться существенного увеличения выработанной электроэнергии (особенно в период рассвета и часы перед закатом Солнца). В данной работе был разработан алгоритм оптимизации работы солнечной панели при использовании такой системы.

          II.          Описание алгоритма оптимизации положения солнечной панели

В данной работе был создан комбинированный двуосный активный трекер, состоящий из Arduino Mega, двух сервомоторов, трех фоторезисторов и солнечной панели номинальной мощностью 2 Вт.

Рисунок 1. Схема двуосного активного трекера, следящего за самой яркой точкой на небосводе. Обозначения: 1 – источник света, 2 – фоторезисторы, 3 – сервомотор (изменение угла наклона), 4 – сервомотор (изменение азимута), 5 – крепления

Разработанный трекер работал в четырех режимах:

1.  Горизонтальное положение приемной площадки (далее – ПП).

2.  Оптимальный годовой угол ПП.

3.  Работа по заданному календарному графику.

4.  Поиск наиболее яркой точки на небосводе.

Это было сделано для того, чтобы провести сравнение вырабатываемой солнечной панелью мощности при использовании различных систем слежения за Солнцем и при установке в оптимальное годовое положение.

В начале работы трекер устанавливается в положение при котором азимут ПП равняется 180 градусам (направление на юг), угол наклона – 0 градусов. Такое положение соответствует горизонтальной площадке.

После каждого изменения положения трекера производится десятисекундная задержка, необходимая для стабилизации показаний приборов, и измеряется мощность, вырабатываемая солнечной панелью. Для этого к солнечной панели последовательно были подключены два резистора номиналом 22 и 47 Ом (суммарное сопротивление - 69 Ом - находится близко к точке максимального КПД применяемой солнечной панели). К резистору номиналом 22 Ом подключен вольтметр. Показания вольтметра снимаются каждые 10 секунд в течении 30 секунд, затем усредняются. Вырабатываемая мощность может быть найдена по формуле:

где: U_v – усредненное показание вольтметра.

После этого при помощи встроенной функции Ардуино, определяется текущее время и, на основании этой информации, по сохраненному массиву положений Солнца, определяется оптимальный угол наклона и азимут ПП (работа трекера по заданному календарному графику):

β_пп=90°-а_с

А_пп=А_с

где: β_пп – угол наклона приемной площадки, а_с – высота Солнца, А_пп и А_с – азимут ПП и Солнца соответственно.

Затем производится корректировка положения ПП при помощи алгоритма поиска наиболее яркой точке на небосводе. Угол φ и ΔR задаются пользователем. В данной работе φ=5°, ΔR=0,1*R₁₂.

Рисунок 2. Алгоритм поиска наиболее яркой точки на небосводе

После этого трекер устанавливается в оптимальное годовое положение для Москвы – угол наклона 50 градусов, азимут – 180 градусов.

Вся полученная информация (азимут, угол наклона для каждого измерения и вырабатываемая мощность при различных положениях ПП) отправляется через интернет соединение на сервер для дальнейшей обработки. Измерения производились каждый час.

Рисунок 3. Разработанная система

      III.          Полученные результаты.

Трекер был испытан 8 мая 2016 года в Московской области в условиях значительной облачности.

Система поиска наиболее яркой точки на небосводе не изменяла положения ПП по сравнению с заданным календарным графиком (выработанная при этом мощность так же не отличалась). Это можно объяснить малой точностью фоторезисторов и большим выбранным ΔR.

Рисунок 4. Выработанная мощность в течении световых суток

Для полноценной оценки эффективности работы трекера необходимо провести серию экспериментов при различных погодных условиях, но пока что на основании проведенного опыта можно сделать несколько выводов:

1.  Система слежения за Солнцем увеличивает вырабатываемую мощность солнечной батареи. В данном случае, в условии значительной облачности, прирост выработки по сравнению с годовым оптимальным углом составил 49%, что согласуется с теоретическим расчетом для данного месяца.

2.  Наибольший прирост выработки при использовании трекера наблюдается в утренние и вечерние часы (с 5 до 9 и с 16 до 19 часов), что соответствует периоду утренних и вечерних пиков нагрузки в большинстве энергосистемы.

      IV.          Вывод.

Системы слежения за Солнцем могут увеличивать выработку солнечных панелей на 30–40%, что было продемонстрировано на практике в условиях данного эксперимента. Однако, рациональность использования подобных систем должна быть доказана с экономической точки зрения. В анализе должны быть учтены множество факторов, таких как потребляемая сервомоторами мощность, амортизационные издержки на оборудование и затраты на эксплуатацию. Только после детального анализа можно делать вывод о выгодности применения трекров в данных условиях.