Моделирование солнечного трекера (ч.1)

Солнечные панели до сих пор вызывают скептицизм, и во многом этот скептицизм оправдан: КПД современных фотоэлектрических модулей редко превышает 17–25 %. Большая часть солнечного излучения, падающего на поверхность панели, просто рассеивается в виде тепла. Если добавить к этому потери в инверторе, кабелях и аккумуляторах — реальная эффективность системы оказывается ещё скромнее.

Одним из популярных инструментов борьбы с этими потерями стали MPPT-контроллеры — они в реальном времени отслеживают точку максимальной мощности на ВАХ панели и удерживают режим работы вблизи неё. Это работает. Но лишь до тех пор, пока панель хоть как-то освещена — никакой алгоритм не способен извлечь энергию из излучения, которое на панель просто не попадает. Если в девять утра панель жёстко закреплена на юг, а Солнце висит низко на востоке, MPPT честно выжмет максимум из скудного косого света — но этот максимум будет несопоставимо меньше того, что дала бы панель, повёрнутая прямо на Солнце.

Именно здесь появляется идея солнечного трекера. Идея логичная — но инженерный подход требует большего, чем просто красивая концепция. Трекер — это механика, приводы, датчики, система управления. Всё это означает стоимость, обслуживание и новые точки отказа. Поэтому прежде чем браться за проектирование, нужно ответить на конкретный вопрос: насколько велик выигрыш в энергии и оправдывает ли он усложнение системы?

Именно с этого вопроса началась наша работа в 2019 году в ДонНТУ, где мой научный руководитель — Черников Вадим Геннадьевич — сформулировал задачу предельно чётко: прежде чем проектировать трекер, докажи цифрами, что он нужен. Привет, Вадим Геннадьевич, если читаете 👋

Мы именно это и сделали — но не на бумаге, а в Engee на Julia. Построили математическую модель положения Солнца, рассчитаем плотность потока излучения для нескольких вариантов ориентации панели и сравним годовую выработку — всё на примере Донецка, с формулами, графиками и готовым кодом.

Подробнее с алгоритмом можно ознакомиться здесь: https://habr.com/ru/articles/1014286/

Что получили на выходе:

1. Математическую модель положения Солнца для любой точки планеты и любого момента времени;
2. Расчёт облучённости по модели Берда–Атвотера с учётом всех механизмов ослабления излучения в атмосфере;
3. Сравнение трёх режимов ориентации панели: фиксированная, одноосевой трекер по азимуту, двухосевой трекер;
4. Годовой расчёт с верификацией по реальным статистическим данным.