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:

1. Несущую конструкцию. Исполняется в виде поворотного механизм на прочной опоре. Вращение может производиться в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
2. Устройство позиционирования. Отвечает за управление подвижными механизмами, в технической документации обозначенными как актуаторы.
3. 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.
4. Блок управляющих систем. Обеспечивает возможность удаленного управления системой с любого электронного гаджета, на котором установлено соответствующее ПО.
5. Система навигации. Обычно присутствует в трекерах на мобильных, способных перемещаться платформах. Предназначается для изменения данных о новом местоположении конструкции – географических параметров широты и долготы.
6. 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: 

1. 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.
2. 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 комплексов 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:

1. 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.
2. Одноосный VSAT с вращением по вертикали – в северных регионах, где поворот за солнцем производится по направлению Восток-Запад.
3. Двухосные TTDAT и AADAT – для крупных электростанций, где прибыль от минимального повышения производительности с запасом перекрывает затраты на покупку солнечных трекеров.