Солнечный трекер

Чтобы узнать о солнечном отслеживании растений, см. Гелиотропизм . Информацию об отслеживании солнечного телескопа см. в разделе Солнечный телескоп .

Двухосные солнечные трекеры

Двухосные солнечные трекеры Suntactics используются на малых и средних фермах по производству солнечной энергии. Полезно для малого бизнеса, использующего солнечную энергию и зарядку аккумуляторов.

— Солнечный трекер это устройство, которое ориентирует полезную нагрузку на Солнце . Полезной нагрузкой обычно являются солнечные панели , параболические желоба отражатели Френеля , линзы или зеркала гелиостата , .

В плоских фотоэлектрических системах трекеры используются для минимизации угла падения между входящим солнечным светом и фотоэлектрической панелью , иногда известного как косинусная ошибка . Уменьшение этого угла увеличивает количество энергии, вырабатываемой из фиксированного количества установленной генерирующей мощности. В стандартных фотоэлектрических приложениях в 2008–2009 годах прогнозировалось, что трекеры можно будет использовать как минимум в 85% коммерческих установок мощностью более одного мегаватта в период с 2009 по 2012 год.

Поскольку цены, надежность и производительность одноосных трекеров улучшились, эти системы стали устанавливаться во все большем количестве проектов коммунального масштаба. По данным WoodMackenzie/GTM Research, глобальные поставки солнечных трекеров достигли рекордных 14,5 гигаватт в 2017 году. Это представляет собой рост на 32 процента в годовом исчислении, причем аналогичный или больший рост прогнозируется по мере ускорения крупномасштабного внедрения солнечной энергии.

В приложениях с фотоэлектрическими концентраторами (CPV) и концентрированной солнечной энергией (CSP) трекеры используются для включения оптических компонентов в системах CPV и CSP. Оптика в приложениях с концентрированной солнечной энергией принимает прямую составляющую солнечного света и поэтому должна быть ориентирована соответствующим образом для сбора энергии. Системы слежения используются во всех концентраторах, поскольку такие системы собирают солнечную энергию с максимальной эффективностью, когда оптическая ось совпадает с падающим солнечным излучением.

Основная концепция

Эффективная площадь сбора плоского солнечного коллектора зависит от косинуса отклонения панели от Солнца.

Солнечный свет состоит из двух компонентов: «прямого луча», который несет около 90% солнечной энергии. и «рассеянный солнечный свет», который несет в себе остальную часть: рассеянная часть — это голубое небо в ясный день и составляет большую часть от общего количества в пасмурные дни. Поскольку большая часть энергии находится в прямом луче, для максимального сбора требуется, чтобы Солнце было видно панелям как можно дольше. Однако в пасмурные дни соотношение прямого и рассеянного света может достигать 60:40 или даже ниже.

Энергия, вносимая прямым лучом, падает пропорционально косинусу угла между падающим светом и панелью. Кроме того, коэффициент отражения (усредненный по всем поляризациям ) примерно постоянен для углов падения примерно до 50°, за пределами которых коэффициент отражения быстро возрастает.

Прямые потери мощности (%) из-за смещения (угол i ), где Потеря = 1 - cos ( i )

Угол я	Часы	Потеря
0°		0%
1°		0.015%
3°		0.14%
8°		1%
15°	1	3.4%
23.4°		8.3%
30°	2	13.4%
45°	3	30%
60°	4	>50%
75°	5	>75%

Примечания

Например, трекеры с точностью ± 5° могут улавливать более 99,6% энергии, передаваемой прямым лучом, плюс 100% рассеянного света. В результате высокоточное отслеживание обычно не используется в неконцентрирующих фотоэлектрических приложениях.

Цель механизма слежения — следить за движением Солнца по небу. В следующих разделах, в которых каждый из основных факторов описывается более подробно, сложный путь Солнца упрощается за счет рассмотрения его ежедневного движения с востока на запад отдельно от его ежегодных изменений с севера на юг в зависимости от времен года. .

Солнечная энергия перехвачена

Количество солнечной энергии, доступной для сбора от прямого луча, равно количеству света, перехваченного панелью. Это определяется площадью панели, умноженной на косинус угла падения прямого луча (см. рисунок выше). Другими словами, перехваченная энергия эквивалентна площади тени, отбрасываемой панелью на поверхность, перпендикулярную прямому лучу.

Это косинусное соотношение очень тесно связано с наблюдением, формализованным в 1760 году косинусным законом Ламберта . Это означает, что наблюдаемая яркость объекта пропорциональна косинусу угла падения освещающего его света.

Отражательные потери

Изменение коэффициента отражения в зависимости от угла падения. Эти графики приведены для показателя преломления 1,5 (стекло) и неприменимы к голому кремнию.

Не весь перехваченный свет передается на панель; часть отражается на его поверхности. Количество отраженного света зависит как от показателя преломления материала поверхности, так и от угла падения падающего света. Количество отраженного света также различается в зависимости от поляризации падающего света. Поступающий солнечный свет представляет собой смесь всех поляризаций с равным количеством прямых солнечных лучей. Усредненные по всем поляризациям, потери на отражение примерно постоянны при углах падения примерно до 50°, за пределами которых они быстро возрастают. См., например, прилагаемый график, соответствующий стеклу.

Солнечные панели часто покрываются антибликовым покрытием , которое представляет собой один или несколько тонких слоев веществ с показателями преломления, промежуточными между показателями кремния и воздуха. Это вызывает деструктивную интерференцию отраженного света, уменьшая количество отраженного света. Производители фотоэлектрических устройств работают над уменьшением отражательной способности с помощью улучшенных антибликовых покрытий и текстурированного стекла.

Ежедневное движение Солнца с востока на запад

Солнце проходит за день 360° с востока на запад, но с точки зрения любого фиксированного места видимая часть составляет 180° в течение средней половины дня (больше летом, немного меньше весной и осенью и значительно меньше летом). зима). Эффекты местного горизонта несколько уменьшают это, делая эффективное движение около 150 °. Солнечная панель, находящаяся в фиксированной ориентации между крайними точками рассвета и заката, будет испытывать движение на 75° в обе стороны и, таким образом, согласно таблице выше, потеряет более 75% энергии утром и вечером. Поворот панелей на восток и запад может помочь компенсировать эти потери. Трекер, который пытается компенсировать движение Солнца с востока на запад, известен как одноосный трекер.

Сезонное движение Солнца с севера на юг

Из-за наклона земной оси Солнце в течение года также перемещается на 46° к северу и югу. Таким образом, тот же набор панелей, установленный в средней точке между двумя локальными экстремумами, позволит увидеть, как Солнце смещается на 23° в обе стороны. Таким образом, согласно приведенной выше таблице, оптимально выровненный одноосный трекер (см . выровненный трекер ниже) потеряет всего 8,3% в летние и зимние сезонные периоды, или около 5% в среднем за год. И наоборот, одноосный трекер, ориентированный вертикально или горизонтально, потеряет значительно больше в результате сезонных изменений траектории Солнца. Например, вертикальный трекер на объекте на 60° широты летом потеряет до 40% доступной энергии, а горизонтальный трекер, расположенный на 25° широты, потеряет до 33% зимой.

Трекер, который учитывает как ежедневные, так и сезонные движения, известен как двухосный трекер. Вообще говоря, потери из-за сезонных изменений угла осложняются изменением продолжительности дня, увеличивая сбор летом в северных или южных широтах. Это смещает сбор данных в сторону лета, поэтому, если панели наклонены ближе к средним летним углам, общие годовые потери уменьшаются по сравнению с системой, наклоненной под углом весеннего/осеннего равноденствия (который равен широте места).

В отрасли ведутся серьезные споры о том, оправдывает ли небольшая разница в ежегодном сборе данных между одноосными и двухосными трекерами дополнительную сложность двухосного трекера. Недавний обзор фактической производственной статистики в южном Онтарио показал, что разница в общей сложности составила около 4%, что намного меньше, чем дополнительные затраты на двухосные системы. Это невыгодно по сравнению с улучшением на 24–32% между трекером с фиксированной решеткой и одноосным трекером.

Другие факторы

Облака

Вышеупомянутые модели предполагают одинаковую вероятность облачности в разное время дня и года. В разных климатических зонах облачность может меняться в зависимости от сезона, влияя на усредненные показатели производительности, описанные выше. В качестве альтернативы, например, в районе, где в течение дня в среднем образуется облачность, сбор утреннего солнечного света может принести особую пользу.

Атмосфера

Расстояние, которое солнечный свет проходит через атмосферу, увеличивается по мере приближения солнца к горизонту, поскольку солнечный свет проходит через атмосферу по диагонали. По мере увеличения длины пути через атмосферу интенсивность солнечной энергии, достигающей коллектора, уменьшается. Эта увеличивающаяся длина пути называется воздушной массой (AM) или коэффициентом воздушной массы , где AM0 находится в верхней части атмосферы, AM1 относится к прямому вертикальному пути вниз до уровня моря с Солнцем над головой, а AM больше 1. относится к диагональным путям, когда Солнце приближается к горизонту.

Даже несмотря на то, что ранним утром или в зимние месяцы солнце может быть не особенно жарким, диагональный путь через атмосферу оказывает меньшее, чем ожидалось, влияние на интенсивность солнечной активности. Даже когда солнце находится всего на 15° над горизонтом, интенсивность солнечной активности может составлять около 60% от максимального значения, около 50% при высоте 10° и 25% при высоте всего 5° над горизонтом. Следовательно, если трекеры смогут следовать за Солнцем от горизонта до горизонта, то их солнечные панели смогут собирать значительное количество энергии.

Эффективность солнечных батарей

Основная статья: Эффективность солнечных батарей

Базовая эффективность преобразования энергии фотоэлектрического элемента оказывает большое влияние на конечный результат, независимо от того, используется ли отслеживание.

Температура

Эффективность фотоэлектрических солнечных элементов снижается с повышением температуры примерно на 0,4%/°C. Например, эффективность при температуре 10 °C ранним утром или зимой примерно на 20% выше, чем при температуре 60 °C в жаркий день или летом. Таким образом, трекеры могут принести дополнительную пользу, собирая энергию ранним утром и зимой, когда клетки работают с максимальной эффективностью.

Краткое содержание

Трекеры для концентрации коллекторов должны использовать высокоточное отслеживание, чтобы удерживать коллектор в точке фокусировки.

Трекеры для неконцентрирующихся плоских панелей не требуют высокой точности слежения:

• низкие потери мощности: потери менее 10% даже при перекосе 25°
• Отражательная способность постоянна даже при перекосе около 50°
• рассеянный солнечный свет составляет 10% независимо от ориентации, а в пасмурные дни - большую долю.

Преимущества отслеживания неконцентрирующих плоских коллекторов заключаются в следующем:

• потери мощности быстро возрастают, превышая перекос примерно в 30°.
• значительная мощность доступна, даже когда Солнце находится очень близко к горизонту, например, около 60% полной мощности при высоте 15° над горизонтом, около 50% при высоте 10° и даже 25% при высоте всего лишь 5° над горизонтом – особенно актуальность в высоких широтах и/или в зимние месяцы
• фотоэлектрические панели примерно на 20% более эффективны в прохладное раннее утро по сравнению с жарким днем; Аналогично, зимой они более эффективны, чем летом, а для эффективной съемки раннего утреннего и зимнего солнца требуется отслеживание.

Типы солнечного коллектора

Солнечные коллекторы могут представлять собой неконцентрирующие плоские панели, обычно фотоэлектрические или водогрейные, или концентрирующие системы различных типов.

Системы крепления солнечного коллектора могут быть фиксированными (выравниваться вручную) или отслеживаться. Различные типы солнечных коллекторов и их расположение ( широта ) требуют разных типов механизмов слежения. Системы слежения могут быть сконфигурированы как фиксированный коллектор/подвижное зеркало (гелиостат ) или как подвижный коллектор.

Неотслеживающее фиксированное крепление

Солнечные панели на крыше жилых и коммерческих или промышленных помещений малой мощности и панели солнечных водонагревателей обычно фиксированы, часто монтируются заподлицо на скатной крыше с соответствующей ориентацией. Преимущества фиксированных креплений перед трекерами заключаются в следующем:

• Механические преимущества: Простота изготовления, низкие затраты на установку и обслуживание.
• Ветровая нагрузка : проще и дешевле обеспечить прочное крепление; все крепления, кроме фиксированных панелей скрытого монтажа, должны быть тщательно спроектированы с учетом ветровой нагрузки из-за большей подверженности воздействию.
• Непрямой свет : примерно 10% падающей солнечной радиации является рассеянный свет, доступный при любом угле отклонения от Солнца.
• Устойчивость к смещению : эффективная площадь сбора плоской панели относительно нечувствительна к довольно высоким уровням смещения относительно Солнца – см. таблицу и диаграмму в разделе «Основные концепции» выше – например, даже смещение на 25° снижает собираемую прямую солнечную энергию в меньшем объеме. более 10%.

Фиксированные крепления обычно используются в сочетании с неконцентрирующими системами; однако важным классом неотслеживающих концентрирующих коллекторов, имеющим особую ценность в странах третьего мира, являются портативные солнечные плиты . Они используют относительно низкие уровни концентрации, обычно от 2 до 8 Солнц, и выравниваются вручную.

Трекеры

Несмотря на то, что фиксированную плоскую панель можно настроить на сбор большей части доступной энергии в полдень, значительная мощность также доступна ранним утром и ближе к вечеру. когда несовпадение с фиксированной панелью становится слишком большим, чтобы собрать разумную долю доступной энергии. Например, даже когда Солнце находится всего на 10° над горизонтом, доступная энергия может составлять около половины уровня энергии в полдень (или даже больше, в зависимости от широты, сезона и атмосферных условий).

Таким образом, основным преимуществом системы слежения является сбор солнечной энергии в течение самого длительного периода дня и с наиболее точным выравниванием, поскольку положение Солнца меняется в зависимости от сезона.

Кроме того, чем выше используемый уровень концентрации, тем важнее становится точное отслеживание, поскольку доля энергии, получаемой от прямого излучения, выше, а область, в которой фокусируется эта концентрированная энергия, становится меньше.

Фиксированный коллектор/подвижное зеркало

Основная статья: Гелиостат

Многие коллекторы невозможно перемещать, например, высокотемпературные коллекторы, в которых энергия рекуперируется в виде горячей жидкости или газа (например, пара). Другие примеры включают прямое отопление и освещение зданий, а также стационарные встроенные солнечные плиты, такие как отражатели Шеффлера . В таких случаях необходимо использовать подвижное зеркало, чтобы независимо от того, где на небе находится Солнце, солнечные лучи перенаправлялись на коллектор.

Из-за сложного движения Солнца по небу и уровня точности, необходимого для правильного направления солнечных лучей на цель, в зеркале гелиостата обычно используется двухосная система слежения, по крайней мере, одна механизированная ось. В различных приложениях зеркала могут быть плоскими или вогнутыми.

Перемещение коллектора

Трекеры можно сгруппировать в классы по количеству и ориентации осей трекера. По сравнению с фиксированным креплением одноосный трекер увеличивает годовую производительность примерно на 30%, а двухосный трекер - дополнительно на 10–20%.

Фотоэлектрические трекеры можно разделить на два типа: стандартные фотоэлектрические (PV) трекеры и концентрированные фотоэлектрические (CPV) трекеры. Каждый из этих типов трекеров можно дополнительно классифицировать по количеству и ориентации их осей, архитектуре срабатывания и типу привода, предполагаемому применению, вертикальным опорам и фундаменту.

Плавающее крепление

Плавучие острова солнечных батарей устанавливаются на водоемах и озерах в Нидерландах, Китае, Великобритании и Японии. Система слежения за солнцем, контролирующая направление панелей, работает автоматически в зависимости от времени года, меняя положение с помощью тросов, прикрепленных к буям .

Плавающее наземное крепление

Солнечные трекеры могут быть построены с использованием «плавающего» фундамента, который стоит на земле без необходимости использования инвазивного бетонного фундамента. Вместо того, чтобы размещать трекер на бетонном фундаменте, трекер помещают на гравийный поддон, который можно заполнить различными материалами, такими как песок или гравий, чтобы закрепить трекер на земле. Эти «плавающие» трекеры могут выдерживать такую ​​же ветровую нагрузку, как и традиционные стационарные трекеры. Использование плавучих трекеров увеличивает количество потенциальных площадок для коммерческих солнечных проектов, поскольку их можно разместить на закрытых свалках или в местах, где выкопать фундамент невозможно.

Оптическое отслеживание без движения

Солнечные трекеры могут быть построены без необходимости использования механического оборудования для слежения. Это называется оптическим отслеживанием без движения. Компания Renkube впервые разработала стеклянную конструкцию для перенаправления света с использованием технологии оптического отслеживания без движения.

Неконцентрирующие фотоэлектрические (PV) трекеры

Фотоэлектрические панели принимают как прямой, так и рассеянный свет с неба. Панели стандартных фотоэлектрических трекеров собирают как прямой, так и рассеянный свет. Функция отслеживания в стандартных фотоэлектрических трекерах используется для минимизации угла падения между входящим светом и фотоэлектрической панелью. Это увеличивает количество энергии, собираемой из прямого компонента падающего солнечного света.

Физика стандартных фотоэлектрических трекеров работает со всеми стандартными технологиями фотоэлектрических модулей. К ним относятся все типы панелей из кристаллического кремния ( моно-Si или мульти-Si ) и все типы тонкопленочных панелей (аморфный кремний, CdTe, CIGS, микрокристаллический).

Фотоэлектрические трекеры-концентраторы (CPV)

Завод CPV мощностью 3 мегаватта с использованием двухосных трекеров в Голмуде, Китай

Модули CPV мощностью 200 киловатт на двухосном трекере в Циндао, Китай

См. Также: Фотоэлектрические концентраторы.

Оптика в модулях CPV принимает прямую составляющую падающего света и поэтому должна быть ориентирована соответствующим образом, чтобы максимизировать собираемую энергию. В приложениях с низкой концентрацией также можно улавливать часть рассеянного света неба. Функция отслеживания в модулях CPV используется для ориентации оптики таким образом, чтобы падающий свет фокусировался на фотоэлектрический коллектор.

Модули CPV, которые концентрируются в одном измерении, должны отслеживаться перпендикулярно Солнцу по одной оси. Модули CPV, которые концентрируются в двух измерениях, должны отслеживаться перпендикулярно Солнцу по двум осям.

Требования к точности

Физика оптики CPV требует, чтобы точность отслеживания увеличивалась по мере увеличения коэффициента концентрации системы. Однако для заданной концентрации неотображающая оптика обеспечивает максимально широкие углы восприятия , что может быть использовано для снижения точности отслеживания.

В типичных системах с высокой концентрацией точность отслеживания должна находиться в диапазоне ± 0,1°, чтобы обеспечить примерно 90 % номинальной выходной мощности. В системах с низкой концентрацией точность отслеживания должна находиться в диапазоне ± 2,0°, чтобы обеспечить 90 % номинальной выходной мощности. В результате типичны системы слежения высокой точности.

Поддерживаемые технологии

Концентрированные фотоэлектрические трекеры используются с рефракционными и отражательными системами концентраторов. В этих системах используется целый ряд новых технологий фотоэлектрических элементов. Они варьируются от обычных фотоэлектрических приемников на основе кристаллического кремния на основе германия до приемников с тройным переходом .

Одноосные трекеры

Одноосные трекеры имеют одну степень свободы , которая действует как ось вращения . Ось вращения одноосных трекеров обычно располагается вдоль истинного северного меридиана. Их можно выровнять в любом кардинальном направлении с помощью усовершенствованных алгоритмов отслеживания. Существует несколько распространенных реализаций одноосных трекеров. К ним относятся горизонтальные одноосные трекеры (HSAT), горизонтальные одноосные трекеры с наклонными модулями (HTSAT), вертикальные одноосные трекеры (VSAT), наклонные одноосные трекеры (TSAT) и одноосные трекеры с полярной ориентацией ( ПСАТ). Ориентация модуля относительно оси трекера важна при моделировании производительности.

Горизонтальный

Горизонтальный одноосный трекер (HSAT)

Горизонтальный одноосный трекер мощностью 4 МВт в Веллакойле, Тамилнад, Индия

Горизонтальный одноосный трекер с наклонными модулями в Ситишань, Китай. Введен в эксплуатацию в июле 2014 года.

Ось вращения горизонтального одноосного трекера расположена горизонтально относительно земли. Стойки на обоих концах оси вращения горизонтального одноосного трекера могут быть разделены между трекерами, чтобы снизить стоимость установки. Этот тип солнечного трекера наиболее подходит для низкоширотных регионов. Планы полей с горизонтальными одноосными трекерами очень гибкие. Простая геометрия означает, что сохранение всех осей вращения параллельно друг другу — это все, что требуется для правильного позиционирования трекеров относительно друг друга. Соответствующее расстояние может максимизировать соотношение производства энергии к затратам, причем это зависит от местного рельефа и условий затенения, а также от времени суток, когда производится производимая энергия. Возврат — это один из способов расчета расположения панелей. Горизонтальные трекеры обычно имеют лицевую сторону модуля, параллельную оси вращения. При движении модуля он перемещает цилиндр, вращательно-симметричный вокруг оси вращения. В одноосных горизонтальных трекерах длинная горизонтальная труба опирается на подшипники, установленные на пилонах или рамах. Ось трубки проходит по линии север-юг. Панели установлены на трубе, и труба будет вращаться вокруг своей оси, отслеживая видимое движение Солнца в течение дня.

Горизонтальный одноосный трекер с наклонными модулями (HTSAT)

В HSAT модули устанавливаются ровно под углом 0°, а в HTSAT модули устанавливаются под определенным наклоном. Он работает по тому же принципу, что и HSAT, удерживая ось трубы горизонтально по линии север-юг и вращая солнечные модули с востока на запад в течение дня. Эти трекеры обычно подходят для работы в высоких широтах, но не занимают столько места на суше, как вертикальные одноосные трекеры (VSAT). Таким образом, он использует преимущества VSAT в горизонтальном трекере и минимизирует общую стоимость солнечного проекта.

Вертикальный

Вертикальный одноосный трекер (VSAT)

Вертикальные системы слежения примерно на 25% более эффективны, чем солнечные батареи, обращенные на юг.

  Вертикальная система слежения

  Солнечные батареи, выходящие на юг

Солнечная электростанция с вертикальной осью в Блэк-Ривер-Фолс, штат Висконсин . Окна выходят немного на запад во второй половине дня.

Ось вращения вертикальных одноосных трекеров расположена вертикально относительно земли. Эти трекеры вращаются с востока на запад в течение дня. Такие трекеры более эффективны в высоких широтах, чем горизонтальные одноосные трекеры. При планировке полей необходимо учитывать затенение, чтобы избежать ненужных потерь энергии и оптимизировать использование земли. Кроме того, оптимизация для плотной упаковки ограничена из-за характера затенения в течение года. Вертикальные одноосные трекеры обычно имеют лицевую часть модуля, ориентированную под углом к ​​оси вращения. При движении модуля он движется по конусу, который вращательно-симметричен вокруг оси вращения.

3D-эскиз солнечных трекеров с вертикальной осью

Солнечные трекеры утром обращены на восток

Солнечные трекеры в полдень лежат ровно

Солнечные трекеры вечером, обращенные на запад

3D-модель солнечной свалки с солнечными трекерами с вертикальной осью и Tesla Megapack с солнечными навесами . Показано, как солнечные трекеры с вертикальной осью отслеживают солнце по небу с утра (восток) до вечера (запад).

Наклонный

Трекер наклонный одноосный (ТСАТ)

Наклонный одноосный трекер в Сызиванци, Китай.

Все трекеры с осями вращения между горизонталью и вертикалью считаются наклоненными одноосными трекерами. Углы наклона трекера часто ограничиваются, чтобы уменьшить профиль ветра и уменьшить высоту приподнятого конца. Благодаря обратному отслеживанию их можно упаковывать без штриховки перпендикулярно их осям вращения при любой плотности. Однако упаковка, параллельная их осям вращения, ограничена углом наклона и широтой. Наклонные одноосные трекеры обычно имеют лицевую сторону модуля, параллельную оси вращения. При движении модуля он перемещает цилиндр, вращательно-симметричный вокруг оси вращения.

Двухосные трекеры

Двухосные трекеры имеют две степени свободы, которые действуют как оси вращения. Эти оси обычно нормальны друг к другу. Ось, зафиксированную относительно земли, можно считать главной осью. Ось, которая связана с основной осью, может считаться вторичной осью. Существует несколько распространенных реализаций двухосных трекеров. Они классифицируются по ориентации их основных осей относительно земли. Двумя распространенными реализациями являются двухосные трекеры с наклоном и наклоном (TTDAT) и двухосные трекеры с азимутом и высотой (AADAT). Ориентация модуля относительно оси трекера важна при моделировании производительности. Двухосные трекеры обычно имеют модули, ориентированные параллельно вторичной оси вращения. Двухосные трекеры обеспечивают оптимальный уровень солнечной энергии благодаря их способности следовать за Солнцем по вертикали и горизонтали. Независимо от того, где находится Солнце на небе, двухосные трекеры могут поворачиваться так, чтобы направлять прямо на Солнце.

Наклон-наклон

Двухосный трекер, установленный на столбе. Проект в Сизиванчи

Двухосный трекер с наклоном и наклоном (TTDAT) назван так потому, что массив панелей установлен на вершине столба. На вершине опоры находится двухосный универсальный шарнир, который обеспечивает как эффективное горизонтальное вращение, так и вертикальный наклон панелей, а также обеспечивает несущую способность массива при собственной нагрузке. Опрокидывание и наклон управляются внешними приводами. Движение вокруг горизонта осуществляется за счет вращения массива вокруг вершины шеста. Это обеспечивает большую гибкость подключения полезной нагрузки к наземному оборудованию, поскольку кабели не скручиваются вокруг опоры.

Простая геометрия означает, что сохранение параллельных осей вращения друг другу — это все, что требуется для правильного позиционирования трекеров относительно друг друга. Обычно трекеры должны быть расположены с достаточно низкой плотностью, чтобы один трекер не отбрасывал тень на другие, когда Солнце находится низко в небе. Правильное расположение трекеров в массиве — единственный способ обеспечить сбор утренней и вечерней солнечной энергии. Утренний/вечерний сбор солнечной энергии — это то, что отличает 2-осевой трекер от фиксированного или 1-осевого отслеживания. Одноосные трекеры используют «обратное отслеживание» для учета самозатенения, но это не должно быть проблемой для двухосного отслеживания. Если кто-то собирается потратиться на установку двухосного трекера, зачем срезать углы, ограничивая вечернее солнце, правильно расположите трекеры и наслаждайтесь максимальным урожаем.

Оси вращения трекеров раннего поколения многих двухосных трекеров с наклоном наконечника обычно выравниваются либо вдоль истинного северного меридиана, либо по линии широты с востока на запад.

Описываемый в этом параграфе трекер, следующий за солнцем, имеет горизонтальную основную ось вращения и вторичную ось вращения, которая всегда остается ортогональной к основной оси. Вращение массива вокруг вертикальной оси отсутствует (крепление на столбе). Чистое вращение вокруг первичной и вторичной осей позволяет массиву «качаться» вокруг вертикальной оси (верхней части полюса). Учитывая уникальные возможности этой конфигурации наклона и контроллера, можно использовать полностью автоматическое отслеживание на портативных или стационарных платформах. Этот трекер, следящий за солнцем, реагирует только на местоположение солнца или на самую яркую область облачного неба (рассеянное освещение). Следовательно, он может следовать за солнцем вокруг горизонта, когда оно движется по арктическим 24-часовым летним дням. Нет необходимости в астрономических расчетах для определения положения Солнца, а ориентация осей трекера не имеет особого значения и может быть размещена по мере необходимости.

Двухосный азимутально-высотный трекер, Толедо, Испания.

Азимут-высота

Двухосный трекер по азимуту-высоте (или альт-азимуту ) (AADAT) имеет свою основную ось (ось азимута) вертикальную по отношению к земле. Вторичная ось, часто называемая осью возвышения, обычно перпендикулярна основной оси. По принципу действия они похожи на системы наклона и наклона, но отличаются способом вращения массива для ежедневного слежения. Вместо вращения массива вокруг вершины опоры системы AADAT могут использовать большое кольцо, установленное на земле, а массив установлен на ряде роликов. Основным преимуществом такой компоновки является то, что вес массива распределяется по части кольца, в отличие от одной точки нагрузки на опоре в TTDAT. Это позволяет AADAT поддерживать гораздо большие массивы. Однако, в отличие от TTDAT, систему AADAT нельзя размещать ближе друг к другу, чем диаметр кольца, что может снизить плотность системы, особенно с учетом затенения между трекерами.

Строительство и (Само)строительство

Как будет описано далее, экономический баланс между затратами на панели и трекеры. Резкое падение стоимости солнечных панелей в начале 2010-х годов усложнило поиск разумного решения. Как видно из прикрепленных медиафайлов, в большинстве конструкций используются промышленные и/или тяжелые материалы, непригодные для небольших или ремесленных мастерских. Даже в коммерческих предложениях могут быть весьма неподходящие решения (большой камень) по стабилизации. Для небольшого строительства (для любителей/энтузиастов) критерии, которым необходимо соответствовать, включают экономичность, устойчивость конечного продукта к элементарным опасностям, простоту обращения с материалами и столярные изделия.

Выбор типа трекера

Выбор типа трекера зависит от многих факторов, включая размер установки, тарифы на электроэнергию, государственные стимулы, земельные ограничения, широту и местную погоду.

Горизонтальные одноосные трекеры обычно используются для крупных проектов распределенной генерации и проектов коммунального масштаба. Сочетание улучшения энергопотребления, более низкой стоимости продукта и меньшей сложности установки приводит к привлекательной экономичности при крупномасштабном развертывании. Кроме того, высокая производительность во второй половине дня особенно желательна для крупных фотоэлектрических систем, подключенных к сети, чтобы производство соответствовало времени пикового спроса. Горизонтальные одноосные трекеры также существенно повышают производительность в весенний и летний сезоны, когда Солнце находится высоко в небе. Присущая им прочность несущей конструкции и простота механизма также обеспечивают высокую надежность, что позволяет снизить затраты на техническое обслуживание. Поскольку панели горизонтальны, их можно компактно разместить на трубе оси без опасности самозатенения, а также они легко доступны для чистки.

Трекер с вертикальной осью поворачивается только вокруг вертикальной оси, при этом панели имеют фиксированный, регулируемый или отслеживаемый угол возвышения. Такие трекеры с фиксированными или (сезонно) регулируемыми углами подходят для высоких широт, где видимый путь Солнца не особенно велик, но что приводит к длинным летним дням, когда Солнце движется по длинной дуге.

Двухосные трекеры обычно используются в небольших жилых домах и в местах с очень высокими государственными тарифами. Конечно, ситуация изменится, когда отрасли, связанные с солнечной энергией, поймут значимость типичной 30%-ной потери урожая энергии в периоды пикового спроса. Стимулы к производству солнечной энергии, когда она больше всего необходима, будут стимулировать возобновление интереса к двухосным трекерам.

Многозеркальный концентрирующий ФЭ

Концентраторы с отражающим зеркалом

Это устройство использует несколько зеркал в горизонтальной плоскости для отражения солнечного света вверх в высокотемпературную систему, требующую концентрированной солнечной энергии. Конструктивные проблемы и расходы значительно уменьшаются, поскольку зеркала не подвергаются значительным ветровым нагрузкам. Благодаря использованию запатентованного механизма для каждого устройства требуются только две системы привода. Благодаря конфигурации устройства оно особенно подходит для использования на плоских крышах и в низких широтах. Изображенные блоки производят примерно 200 пиковых ватт постоянного тока.

Многозеркальная отражательная система в сочетании с центральной силовой башней была использована в Sierra SunTower , расположенном в Ланкастере, Калифорния. Эта генерирующая установка, которой управляет компания eSolar , работала с 2009 по 2014 год. В этой системе, в которой использовалось несколько гелиостатов, расположенных с севера на юг, использовались готовые детали и конструкции, чтобы снизить затраты на запуск и эксплуатацию.

Типы приводов

Активный трекер

Активные трекеры используют двигатели и зубчатые передачи для отслеживания солнечной активности. Они могут использовать микропроцессоры и датчики, алгоритмы на основе даты и времени или их комбинацию для определения положения Солнца. Для контроля и управления движением этих массивных конструкций специальные поворотные приводы разработаны и тщательно протестированы . Технологии, используемые для управления трекером, постоянно развиваются, и последние разработки Google и Eternegy включают использование тросов и лебедок для замены некоторых более дорогих и хрупких компонентов.

Поворотный приводной редуктор

Поворотные приводы встречного вращения, включающие опору с фиксированным углом, могут быть применены для создания «многоосного» метода отслеживания, который исключает вращение относительно продольного выравнивания. Этот метод, если его разместить на колонне или столбе, будет генерировать больше электроэнергии, чем фиксированная фотоэлектрическая установка, и ее фотоэлектрическая батарея никогда не будет поворачиваться на полосу движения для парковки. Это также позволит обеспечить максимальную выработку солнечной энергии практически при любой ориентации полосы/ряда парковки, включая круговую или криволинейную.

Активные двухосные трекеры также используются для ориентации гелиостатов — подвижных зеркал, отражающих солнечный свет в сторону поглотителя центральной электростанции . Поскольку каждое зеркало в большом поле будет иметь индивидуальную ориентацию, управление ими осуществляется программно через центральную компьютерную систему, которая также позволяет отключать систему при необходимости.

Светочувствительные трекеры обычно имеют два или более фотодатчиков , таких как фотодиоды , настроенных дифференциально, так что они выдают нулевой сигнал при получении одного и того же светового потока. Механически они должны быть всенаправленными (т.е. плоскими) и направлены под углом 90 градусов друг от друга. Это приведет к тому, что самая крутая часть их косинусных передаточных функций сбалансируется в самой крутой части, что приведет к максимальной чувствительности. Дополнительную информацию о контроллерах см. в разделе «Активное дневное освещение» .

Поскольку двигатели потребляют энергию, их хочется использовать только по мере необходимости. Таким образом, вместо непрерывного движения гелиостат перемещается дискретными шагами. Кроме того, если уровень освещенности ниже некоторого порога, вырабатываемой энергии будет недостаточно для переориентации. Это также верно, когда разница в уровне освещенности в одном направлении недостаточна, например, когда над головой проходят облака. Необходимо принять во внимание, чтобы трекер не тратил энергию впустую в пасмурные периоды.

Пассивный трекер

Пассивная головка трекера в весенне-летнем наклонном положении с панелями на светло-голубой стойке, повернутыми в утреннее положение до упора; темно-синие объекты — это гидравлические демпферы.

В наиболее распространенных пассивных трекерах используется сжатый газ с низкой температурой кипения, который перемещается в ту или иную сторону (за счет солнечного тепла, создающего давление газа), заставляя трекер двигаться в ответ на дисбаланс. Поскольку это неточная ориентация, она не подходит для некоторых типов концентрирующих фотоэлектрических коллекторов, но отлично подходит для обычных типов фотоэлектрических панелей. Они будут иметь вязкостные демпферы, предотвращающие чрезмерные движения в ответ на порывы ветра. Шейдеры/отражатели используются для отражения раннего утреннего солнечного света, чтобы «разбудить» панель и наклонить ее к солнцу, что может занять несколько часов, в зависимости от условий затенения. Время на это можно значительно сократить, добавив саморазъединяющуюся привязку, которая размещает панель немного выше зенита (чтобы жидкости не приходилось преодолевать силу тяжести), и используя привязку в вечернее время. (Слабая натяжная пружина предотвратит разблокировку в ветреную ночную погоду.)

Недавно появившийся тип пассивного трекера для фотоэлектрических солнечных панелей использует голограмму за полосами фотоэлектрических элементов, так что солнечный свет проходит через прозрачную часть модуля и отражается на голограмме. Это позволяет солнечному свету попадать на элемент сзади, тем самым повышая эффективность модуля. Кроме того, панель не нужно перемещать, поскольку голограмма всегда отражает солнечный свет под правильным углом в сторону ячеек.

Ручное отслеживание

В некоторых развивающихся странах приводы заменены операторами, которые настраивают трекеры. Преимуществом этого является надежность, наличие персонала для технического обслуживания и создание рабочих мест для населения, проживающего вблизи объекта.

Вращающиеся здания

Во Фрайбурге-им-Брайсгау, Германия, Рольф Диш построил « Гелиотроп» в 1996 году — жилое здание, которое вращается вместе с солнцем и имеет дополнительный двухосный фотоэлектрический парус на крыше. Он производит в четыре раза больше энергии, чем потребляет здание.

Дом Близнецов — уникальный пример трекера с вертикальной осью. Этот цилиндрический дом в Австрии (на широте выше 45 градусов северной широты ) полностью вращается, следуя за Солнцем, с вертикальными солнечными панелями, установленными на одной стороне здания и вращающимися независимо, что позволяет контролировать естественное солнечное отопление.

ReVolt House — это вращающийся плавучий дом, спроектированный студентами Делфтского технического университета для соревнований Solar Decathlon Europe в Мадриде . Дом был сдан в сентябре 2012 года. Непрозрачный фасад летом поворачивается к солнцу, чтобы не допустить нагревания внутренних помещений. Зимой стеклянный фасад обращен к солнцу для пассивного солнечного обогрева дома. Поскольку дом без трения плавает по воде, для его вращения не требуется много энергии.

Дом Близнецов вращается целиком.

Недостатки

Трекеры увеличивают стоимость и обслуживание системы — если они добавляют 25% к стоимости и улучшают производительность на 25%, то ту же производительность можно получить, увеличив систему на 25%, исключив дополнительное обслуживание. Отслеживание было очень экономически эффективным в прошлом, когда фотоэлектрические модули были дорогими по сравнению с сегодняшним днем. Поскольку они были дорогими, важно было использовать отслеживание, чтобы минимизировать количество панелей, используемых в системе с заданной выходной мощностью. Но по мере удешевления панелей экономическая эффективность отслеживания по сравнению с использованием большего количества панелей снижается. Однако в автономных установках, где батареи сохраняют энергию для использования в ночное время, система слежения сокращает время использования накопленной энергии, что требует меньшей емкости батареи. Поскольку сами батареи дороги (либо традиционные свинцово-кислотные стационарные элементы, либо новые литий-ионные батареи), их стоимость необходимо включать в анализ затрат.

Отслеживание также не подходит для типичных фотоэлектрических установок на крышах жилых домов. Поскольку отслеживание требует, чтобы панели наклонялись или иным образом перемещались, необходимо предусмотреть соответствующие положения. Это требует смещения панелей на значительное расстояние от крыши, что требует дорогостоящих стеллажей и увеличивает ветровую нагрузку. Кроме того, такая установка не сделает установку на крышах жилых домов эстетичной. Из-за этого (а также из-за высокой стоимости такой системы) слежение не используется в установках на крышах жилых домов и вряд ли когда-либо будет использоваться в таких установках. Это особенно актуально, поскольку стоимость фотоэлектрических модулей продолжает снижаться, что делает увеличение количества модулей для большей мощности более экономически эффективным вариантом. Система слежения может (а иногда и используется) использоваться для установки на земле в жилых домах, где возможна большая свобода передвижения.

Отслеживание также может вызвать проблемы с затенением. Поскольку панели перемещаются в течение дня, возможно, что, если панели расположены слишком близко друг к другу, они могут затенять друг друга из-за влияния угла профиля. Например, если у вас есть несколько панелей подряд с востока на запад, в солнечный полдень затенения не будет, но во второй половине дня панели могут быть затенены соседней с запада панелью, если они расположены достаточно близко. Это означает, что панели должны быть расположены на достаточном расстоянии, чтобы предотвратить затенение в системах с отслеживанием, что может снизить доступную мощность из данной области в часы пиковой солнечной активности. Это не является большой проблемой, если имеется достаточная земельная площадь для широкого размещения панелей. Но это снизит производительность в определенные часы дня (например, около солнечного полудня) по сравнению с фиксированной антенной решеткой. Оптимизация этой задачи с помощью математических вычислений называется возвратом.

Кроме того, одноосные системы слежения склонны к нестабильности при относительно умеренных скоростях ветра (галопе). Это связано с крутильной нестабильностью одноосных систем слежения за Солнцем. Должны быть приняты меры против скачка, такие как автоматическая укладка и внешние амортизаторы.

См. также

• Коэффициент воздушной массы
• Двусторонние солнечные элементы - вертикальная двусторонняя солнечная батарея
• Гелиостат
• Солнечная энергия
• Солнечная дорожка