Трекеры для слежения за солнцем

Солнечные трекеры

Эффективность солнечных электростанций любого типа напрямую зависит от ориентации на солнце поверхностей панелей или отражающих зеркал. Обеспечить их оптимальное положение относительно светила помогают специальные конструкции – солнечные трекеры. Чем больше степеней свободы имеет поворотное устройство, и чем выше уровень его автоматизации, тем производительнее окажется ваша СЭС.

Общие сведения

Конструкция трекера универсальна и может управлять разворотом:

модульных полупроводниковых фотоэлектрических батарей;
параболических зеркал, предназначенных для фокусировки лучей на двигателе Стирлинга или нагревательном баке;
оптических устройств линзового типа;
прочих систем на базе PV, CPV, HCPV или CSP улавливателей излучения.

В зависимости от технологических возможностей механизма, трекер для солнечных панелей обеспечивает ориентацию рабочих поверхностей на солнце предельно близко к идеальным 90°. В бюджетных моделях периодическое изменение угла наклона приходится делать вручную. Устройства premium класса изменяют ориентацию автоматически, в режиме реального времени.

Стандартный трекер для солнечных батарей включает следующие комплектующие:

Несущую конструкцию. Исполняется в виде поворотного механизм на прочной опоре. Вращение может производиться в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Устройство позиционирования. Отвечает за управление подвижными механизмами, в технической документации обозначенными как актуаторы.
Блок систем безопасности. Электронная часть комплекса. Защищает систему от перегрузок, перепадов напряжения, ударов молнии и пр. Модели элитного класса оснащаются встроенной миниатюрной метеостанцией, которая при начинающихся сильных ветрах, снегопадах и ливнях дает команду на разворот модулей в безопасное положение.
Блок управляющих систем. Обеспечивает возможность удаленного управления системой с любого электронного гаджета, на котором установлено соответствующее ПО.
Система навигации. Обычно присутствует в трекерах на мобильных, способных перемещаться платформах. Предназначается для изменения данных о новом местоположении конструкции – географических параметров широты и долготы.
Инвертор. Выполняет функцию преобразователя, в том числе и для подачи питания 220V на электродвигатели самого трекера.

Примечание: Уровень технологичности трекера выбирается в зависимости от стоящих перед СЭС задач. Ввиду высокой стоимости оборудования использование подобных систем в маломощных системах экономически нецелесообразно.

Солнечный трекер – принципиальные характеристики

Обязательным набором требований к трекерам любого класса являются:

большой запас статической и динамической прочности, достаточный для обеспечения устойчивости конструкции при сильных ветрах, граде, ливнях и песчаных бурях;
максимальная устойчивость к коррозии;
долговечность и высокое качество поворотных механизмов, особенно частей, подвергающихся трению.

Для наиболее крупных систем желательно наличие встроенных метеостанций. Это даст безусловную гарантию автоматического разворота модулей значительного размера в безопасное положение – торцевой частью к направлению ветра.

Разновидности трекеров для солнечных панелей

Ввиду широкого диапазона спектра требований к этим дорогостоящим установкам, их ассортимент достаточно велик. Уровень технической оснащенности и «продвинутости» трекеров всегда подбирается под конкретные цели, с учетом финансовых затрат. Экономическая целесообразность их приобретения рассчитывается просто – как соотношение средств на приобретение к росту производительности станции, умноженному на стоимость киловатта. Если затраты оказываются меньше потенциальной прибыли, приобретение имеет смысл.

Трекеры одноосные

Отсутствие второй оси делает эту категорию менее дорогостоящей. Направление вращения произвольно и определяется индивидуально, в зависимости от места строительства СЭС.

Существует четыре вида таких трекеров:

по вертикали – VSAT;
по горизонтали – HSAT;
вокруг наклонной оси – TSAT;
полярное вращение, относительно стороны света – PASAT.

Управляющие алгоритмы носят название SPA (Solar Position Algorithm), и встраиваются в программное обеспечение.

Оптимальная единственная ось определяется по нескольким характеристикам.

1. Вертикальная – Vertical Single Axis Tracker (VSAT). Применяется преимущественно для станций, расположенных в высоких широтах, от 50° северной широты и выше. Вращение осуществляется с Востока на Запад. Выбор связан с низким расположением солнца и позволяет избежать взаимного затенения соседних солнечных блоков, по мере движения светила вдоль горизонта/

2. Горизонтальная – Horizontal Single Axis Tracker (HSAT). Солнечные трекеры с таким направлением вращения оптимальны в низких широтах. Панели или зеркала на протяжении суток медленно поворачиваются с Севера на Юг. Во избежание частичного затенения трубные крепления модулей с системами HSAT необходимо монтировать строго параллельно.

3. Наклонная – Tilted single axis tracker (TSAT). Чаще всего применяется в электростанциях, расположенных на местностях с небольшим уклоном или ступенчато. Выбор направления обусловлен той же причиной – недопустимостью падения тени даже на незначительную часть любой батареи.

4. Полярная – Polar aligned single axis trackers(PASAT). Для средних широт данная конструкция с одной осью признана оптимальной. Поскольку система управления ориентируется на положение Полярной звезды, то угол наклона модулей всегда совпадает с географической широтой местности.

Двухосные солнечные трекеры

Поворотные механизмы с двумя степенями свободы обеспечивают солнечным панелям максимально точную ориентацию на солнце. Это повышает удельную производительность электростанций на 25-40%, и для систем большой мощности полностью оправдывает дополнительные расходы.

Существует две модификации двухосных конструкций трекеров:

Tip-Tilt Dual Axis Tracker (TTDAT). Основой механизма является крупный шаровой подшипник и удлиненная сверхпрочная опора. Вращение производится вдоль горизонтальной и вертикальной осей. Управление в большинстве случаев электронное.
Azimuth-Altitude Dual Axis Tracker (AADAT). Наиболее современный и функциональный вариант с азимутной базовой ориентацией. Оригинальным конструктивным решением служит замена шарового механизма поворота на кольцо, с размещением последнего на отдельной платформе. Преимуществом данной разновидности следует назвать возможность монтажа на солнечном трекере типа AADAT сразу значительного числа батарей. Вынужденный недостаток – необходимость увеличивать расстояние между соседними опорными конструкциями из-за большого диаметра кольца. Смена ориентации панелей осуществляется исключительно электроникой.

Варианты управления механизмов позиционирования

Таковых существует три – ручной, автоматический и полуавтоматический способы.

1. Ручное управление

Бюджетные, преимущественно одноосные модели трекеров для солнечных батарей предполагают механическое управление поворотными механизмами. Осуществляется оно полностью вручную, либо с помощью конструкций, называемых актуаторами. В отличие от изменения угла наклона панелей простым поворотом рук, актуаторы управляются специальными тумблерами. При большом количестве панелей это кратно экономит время и не требует применения физической силы. Полностью ручное изменение позиции солнечных панелей производится 2-4 раза в год, обычно весной и осенью. Система с актуаторами применяется для корректировки значительно чаще, примерно раз в месяц.

2. Автоматическое управление

Премиальный класс использует более дорогостоящие, но максимально эффективные автоматические системы изменения позиционирования. Специализированное программное обеспечение осуществляет управление по алгоритму SPA (SolarPosition Algorithm), в on-line режиме отслеживая положение солнца по ниже приведенной схеме.

Информацию о перемещении светила, исполнительные механизмы получают в результате математического расчета основанных на координатах расположения трекера. Преимущество автоматических систем заключается в постоянном определении идеальной позиции панелей без участия человека.

3. Полуавтоматическое управление

Применяется с целью экономии средств на дорогостоящую электронику и ПО. Вместо защищенного компьютерного блока используется достаточно простой логический контроллер с таймером. Время изменения позиции выставляется владельцем вручную.

Принципы выбора трекеров для солнечных панелей

Основным правилом выбора трекерной конструкции является её максимальная целесообразность для конкретных индивидуальных условий – мощности станции, места её расположения, наличия центральной сети и себестоимости элетроэнергии.

В качестве общих рекомендаций можно предложить:

Одноосный HSAT с вращением по горизонтали – для низких широт и сравнительно маломощных СЭС. Эти системы не слишком дороги, и максимально эффективны во 2-й половине дня, при увеличенном энергопотреблении.
Одноосный VSAT с вращением по вертикали – в северных регионах, где поворот за солнцем производится по направлению Восток-Запад.
Двухосные TTDAT и AADAT – для крупных электростанций, где прибыль от минимального повышения производительности с запасом перекрывает затраты на покупку солнечных трекеров.

Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.

Солнечная автономия в глубинке. 5 часть

Существуют некоторые хитрости, позволяющие, немного модифицировав основную систему, получить больше энергии от солнца. Первая из них – следить за солнцем, а вторая – за точкой максимальной мощности солнечных батарей.

Слежение за солнцем осуществляется с помощью солнечного трекера, с которого я и начну эту статью. Следующее видео демонстирует принцип действия трекера для солнечных панелей.

После монтажа солнечного трекера выработка энергии увеличится в 1,6 раза благодаря более длительному воздействию солнца на панели, а также оптимизации угла установки солнечных панелей по отношению к солнцу. Стоимость готового солнечного трекера составит около 52 000 рублей. Поскольку он сможет удержать всего пару панелей с общей мощностью до 600Вт, окупится такая система нескоро. Но сделать такое устройство можно и самостоятельно, причем самодельные трекеры довольно популярны.

При слежении за солнцем есть следующие главные задачи:

1. Создание крепкой платформы, способной выдержать и вес самих панелей, и порывы ветра.

2. Создание механики поворота тяжелой платформы с высокой парусностью.

3. Разработка логики управления механикой для слежения за солнцем.

Итак, пункт первый. Массивы батарей лучше разместить кратно необходимому напряжению, при этом они не должны затенять друг друга.

Для трекера потребуются крепкое железо и мощный фундамент. Для управления поворотной платформой оптимально подойдут актуаторы. На следующем снимке можно рассмотреть механику управления.

Такой трекер позволит контролировать положение солнечных панелей сразу в двух плоскостях. Но при желании можно настроить управление только по горизонтали, а по вертикали изменять угол пару два раза в год (осенью и весной).

Создавая логику всей системы можно выбрать один из нескольких вариантов:

1. Следить за максимально яркой точкой.

2. Установить наклон и поворот по таймеру (для каждого дня всегда известны время восхода и захода солнца).

3. Комбинированный вариант, предусматривающий постоянство угла поворота и поиск максимальной яркости.

Для первого способа есть два решения: соорудить трекер самостоятельно или купить готовый китайский, стоимостью около 100 долларов.

Но поскольку сделать такое устройство довольно несложно любому, кто разбирается в принципах работы контроллеров, многие предпочитают сделать все самостоятельно, при этом самодельный трекер обойдется в 10 раз дешевле.

Подробности изготовления солнечного трекера можно узнать на профильном форуме, где оптимальные конструкции уже вычислены и подобрано наилучшее оборудование. Слежение за МРРТ (точка максимальной мощности солнечных батарей) Для этой цели существует два типа солнечных контроллеров. Контроллер МРРТ (Maximum Power Point Tracking) следит за солнцем с другой позиции системы. Для обьяснения привожу следующий график.

Как видно из графика, максимум снимаемой мощности будет получен в точке максимальной мощности, которая непременно окажется на зеленой линии. Это невозможно для обычного ШИМ контроллера. Используя МРРТ контроллер можно также подключить последовательно соединенные солнечные панели. Такой способ позволит ощутимо снизить потери энергии в процессе транспортировки от солнечных батарей до аккумуляторов. Экономически целесообразно устанавливать МРРТ контроллеры при мощности СП, превышающей 300-400 Вт. Вполне обоснованной будет покупка солнечного контроллера «с запасом», если только вы не создаете мощную энергосистему, которая перекроет потребности дома с избытком. Последовательно наращивая число солнечных батарей, я получил мощность 800 Вт, чего вполне достаточно для загородного дачного домика летом.

В моем примере от энергосистемы в среднем ожидается по 4 кВт*ч электрической энергии в день с апреля по август. Такого количества энергии вполне достаточно для комфорта семьи из 4 человек при условии отказа от пользования электроплитой и микроволновой печью. Мощным потребителем энергии является бойлер для подогрева воды. Для 80 литрового бойлера в частном доме потребуется как раз приблизительно 4,5кВт*ч энергии. Таким образом, создаваемая автономная система окупится хотя бы при нагреве воды.

Предыдущая статья была посвящена гибридному инвертору, позволяющему забирать энергию преимущественно от солнечных батарей, получая от сети только недостающее количество. Компания МикроАрт уже наладила выпуск МРРТ-контроллеров, которые могут быть связаны с инверторами этой же фирмы по общей шине. Поскольку гибридный инвертор МикроАрт я уже установил, этот вариант для меня особенно удобен.

Главным достоинством этого контроллера для меня стала возможность подкачки нужного количества электричества, чтобы не заимствовать энергию от аккумулятора, снижая его ресурс. Самым популярным и при этом оптимальным по соотношению напряжение/ток является Контроллер ECO Энергия MPPT Pro 200/100. Он способен поддерживать входное напряжение до 200 В и выходной ток до 100 А. Мои аккумуляторы собраны на 24 В (напряжение аккумуляторов 12/24/48/96 В), так что максимальная мощность от контроллера составит 2400 Вт, таким образом я получаю двукратный запас при наращивании солнечных батарей. Максимальная мощность контроллера – 11 кВт при 110 В на аккумуляторах (буферное напряжение).

Связь контроллера с гибридным инвертором МАП SIN Энергия Pro HYBRID v.1 24В поддерживается по шине 12С. При этом возможно мгновенное добавление мощности в случае, когда инвертор выдает информацию о повышенном потреблении энергии. Поскольку оба устройства от одного производителя – понадобилось лишь включить шнурки в нужные разьемы устройств и активировать нужные параметры.

Продолжая исследовать возможности контроллера, я обнаружил три реле, которые можно запрограммировать. Например, при солнечной погоде, если дом не потребляет электроэнергию, можно подогреть дополнительный бойлер или бассейн. Другой вариант — погода пасмурная и напряжение аккумуляторов снижено до критического уровня, инвертор может вообще отключиться, а энергия потребляется. В таком случае возможен запуск отдельного бензо/дизель генератора, для чего достаточно просто замкнуть реле. При этом в генераторе должен быть сухой контакт запуска или же отдельная система автоматического пуска – САП (другое название – АВР, Автоматический Ввод Резерва). Генератор у меня простой китайский, но стартер имеется. Поинтересовавшись автоматизацией его запуска, и выяснив, что МикроАрт уже давно выпускает собственную автоматику, я был очень этим обрадован.

Вернемся к монтажу контроллера. Здесь все стандартно: сначала нужно подключить клеммы аккумулятора, потом клеммы солнечных батарей, после чего настраиваются параметры. При подключении внешнего датчика тока можно обнаружить мощность, потребляемую инвертором в режиме реального времени.

На следующем фото можно увидеть, как работает инвертор в гибридном режиме (получая часть энергии – от сети, основную же часть – от солнечных батарей).

Чтобы продемонстрировать работу солнечного контроллера с любым другим инвертором от стороннего производителя, контроллер специально подключается с помощью внешнего датчика тока.

Реальные характеристики контроллера полностью соответствуют заявленным. Он действительно подкачивает энергию, даже при подключении к «чужому» инвертору через датчик тока. Гибридный инвертор, как и планировалось, качает в сеть энергию солнца (на фотографии видно, что100 Вт, а это половина из 200 Вт потребляемых, поступает от солнечных батарей. То есть, минимальные 100 Вт будут забираться контроллером из сети, а недостающие – поступать от солнца. Такова особенность устройства). Таким образом, комплект начал окупать себя уже с момента подключения. А начиная с мая можно рассчитывать и на полное покрытие энергетических нужд солнечными батареями.

Последующая статья станет заключительной, в ней будут сравнены три солнечные контроллера, которые у меня уже имеются.

Источник