Многие до сих пор скептически относятся к перспективам использования солнечных батарей в качестве источников электрической энергии в природно-климатических условиях Югры. Обычно это мотивируется тем, что в автономном округе в течение года бывает более 200 пасмурных дней, когда Солнце не пробивается сквозь облака, в дни зимнего солнцестояния Солнце поднимается над горизонтом всего на 5 градусов, а максимальная высота Солнца над горизонтом даже в дни летнего солнцестояния не превышает 50-55 градусов.
Но, во-первых, как известно, фотоэффект вызывается и рассеянным солнечным светом, и солнечные батареи могут вырабатывать электрический ток при отсутствии попадания прямых солнечных лучей, а во-вторых, КПД солнечных батарей можно повысить при их соответствующей ориентации относительно расположения Солнца при его движении по небосводу.
При этом в северных регионах наиболее эффективно использование гибридных электростанций, в частности солнечно-дизельных, где в качестве источников энергии используют совместно солнечную энергию и энергию сжигания углеродного топлива. Солнечные батареи в составе гибридной электростанции в светлое время суток заряжают аккумуляторные батареи, которые при последующем разряде снимают нагрузку с дизельного генератора, что увеличивает ресурс его работы и уменьшает расход дизельного топлива.
Всеволод Ткаченко, преподаватель Политехнической школы Югорского государственного университета, победитель конкурса «УМНИК» 2021 года, организованного Технопарком Югры, в своем проекте «Разработка системы самодиагностики и телемеханики солнечной электростанции для районов Крайнего Севера» поставил задачу повысить эффективность установок, получающих электроэнергию от солнечных батарей.
На первом этапе выполнения своего проекта он провел исследование взаимосвязи электрических параметров солнечной батареи с параметрами окружающей среды, такими как географические координаты размещения установки, время года, температура, уровень освещенности, скорость ветра. На основании установленных взаимосвязей им была разработана математическая модель фотоэлектрической солнечной батареи и алгоритм самодиагностики, основанный на обработке данных, полученных с устройств ввода.
По замыслу автора, алгоритм самодиагностики по корректировке режима работы солнечной панели должен представлять собой набор действий установки в автоматическом режиме в зависимости от полученных установленными датчиками данных. Для этого им были установлены соотношения основных режимов работы солнечных панелей и погодных условий:
нормальный режим — хорошая погода; периодическая легкая очистка — сухой снег, снежная крупа, снежные зерна, ледяные иглы, морось, дождь; ограниченная работоспособность — метели, метели с выпадением снега, туман (сильный и умеренный); периодическая очистка — мокрый снег, изморозь, гололед, замерший снег, мокрый замерший снег, кристаллическая изморозь; режим неработоспособности — дождь с интенсивностью выше критической, шквальный ветер, сильная метель, критически низкие температуры.Наиболее благоприятными погодными условиями является первая группа. В рамках режима работы солнечной панели никаких корректировок не требуется.
Режим периодической легкой очистки определяется малым выпадением осадков без закрепления (со слабым закреплением) их на плоскости солнечной панели. Корректирующие воздействия - периодические включения средств очистки (изменение угла наклона панели, вибромоторы и др.).
В режиме ограниченной работоспособности солнечная панель оценивает параметры окружающей среды и системы питания на предмет достижения параметрами критических значений. Отслеживаются значения скорости и угла атаки ветра, угол наклона панели. При достижении критических отметок автоматика дает сигнал на переход в режим неработоспособности.
В режиме неработоспособности солнечная панель принимает такое пространственное расположение, которое обеспечивает минимальную парусность. Для уменьшения износа движущиеся элементы при низких температурах отключаются, поскольку понижение температуры до критически низких значений ведет к загустеванию и кристаллизации смазывающих материалов. Также, при достаточно низкой температуре возможно отключение электронных компонентов панелей, микроконтроллеров, драйверов и др. Для предотвращения возможного отключения электронные компоненты помещаются в теплоизолированные боксы с нагревательными элементами с периодическим прогревом бокса.
Автором была проведена компьютерная симуляция разработанного алгоритма в составе математической модели солнечной фотоэлектрической батареи для панелей без системы ориентации и с системой ориентации. Для солнечных панелей без системы ориентации потери мощности в зависимости от угла падения солнечных лучей на плоскость электроустановки варьировались от 0 % до 25 %. Для солнечных панелей с системами ориентации величина потерь оказалась близка к нулю, так как для них учитывалось годовое изменение высоты Солнца.
В качестве промежуточного итога проекта автор сделал вывод, что его модель может использоваться для прогнозирования выработки электрической энергии с учетом режимных параметров электрической сети, дополнительных генерирующих установок, а также с учетом суточного потребления. Имея представления об уровне генерации и потребления, можно определить оптимальный режим работы аккумуляторных батарей (процессы заряда/разряда), часто используемых вместе с солнечными панелями.
На следующем этапе выполнения своего проекта Всеволод Ткаченко планирует разработать варианты компоновки системы для различных видов солнечных батарей, создать и протестировать образец системы самодиагностики и телемеханики солнечной электростанции для районов Крайнего Севера.
