Солнечный трекер — это устройство, которое ориентирует полезную нагрузку на Солнце . Полезной нагрузкой обычно являются солнечные панели , параболические желоба , рефлекторы Френеля , линзы или зеркала гелиостата .
Для плоских фотоэлектрических систем трекеры используются для минимизации угла падения между входящим солнечным светом и фотоэлектрической панелью , иногда называемого косинусной ошибкой . Уменьшение этого угла увеличивает количество энергии, вырабатываемой фиксированным количеством установленной мощности генерации электроэнергии. В стандартных фотоэлектрических приложениях в 2008–2009 годах было предсказано, что трекеры могут использоваться по крайней мере в 85% коммерческих установок мощностью более одного мегаватта с 2009 по 2012 год. [1] [2]
По мере улучшения цен, надежности и производительности одноосных трекеров, эти системы стали устанавливаться во все большем проценте проектов коммунального масштаба. Согласно данным WoodMackenzie/GTM Research, мировые поставки солнечных трекеров достигли рекордных 14,5 гигаватт в 2017 году. Это представляет собой рост на 32 процента по сравнению с прошлым годом, и прогнозируется аналогичный или больший рост по мере ускорения масштабного развертывания солнечных систем. [3]
В концентраторных фотоэлектрических (CPV) и концентрированных солнечных (CSP) приложениях трекеры используются для включения оптических компонентов в системах CPV и CSP. Оптика в концентрированных солнечных приложениях принимает прямую составляющую солнечного света и поэтому должна быть ориентирована соответствующим образом для сбора энергии. Системы слежения встречаются во всех приложениях концентраторов, поскольку такие системы собирают солнечную энергию с максимальной эффективностью, когда оптическая ось совмещена с падающим солнечным излучением. [4] [5]
Солнечный свет состоит из двух компонентов: «прямой луч», который несет около 90% солнечной энергии [6] [7] и «рассеянный солнечный свет», который несет остаток – диффузная часть – это голубое небо в ясный день, и составляет большую долю 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 быть всего 60:40 или даже ниже.
Энергия, вносимая прямым лучом, падает с косинусом угла между входящим светом и панелью. Кроме того, отражательная способность (усредненная по всем поляризациям ) приблизительно постоянна для углов падения до 50°, за пределами которых отражательная способность быстро увеличивается. [8]
Примечания
Например, трекеры с точностью ± 5° могут улавливать более 99,6% энергии, поставляемой прямым лучом, плюс 100% рассеянного света. В результате высокоточное отслеживание обычно не используется в неконцентрирующих фотоэлектрических приложениях.
Цель механизма слежения — следить за Солнцем, пока оно движется по небу. В следующих разделах, в которых каждый из основных факторов описывается немного подробнее, сложный путь Солнца упрощается путем рассмотрения его ежедневного движения с востока на запад отдельно от его ежегодного изменения с севера на юг в зависимости от сезонов года.
Количество солнечной энергии, доступной для сбора из прямого луча, — это количество света, перехваченного панелью. Оно определяется как площадь панели, умноженная на косинус угла падения прямого луча (см. иллюстрацию выше). Другими словами, перехваченная энергия эквивалентна площади тени, отбрасываемой панелью на поверхность, перпендикулярную прямому лучу.
Это косинусное отношение очень тесно связано с наблюдением, формализованным в 1760 году законом косинуса Ламберта . Он описывает, что наблюдаемая яркость объекта пропорциональна косинусу угла падения света, освещающего его.
Не весь перехваченный свет передается в панель; часть отражается от ее поверхности. Количество отраженного света зависит как от показателя преломления материала поверхности, так и от угла падения входящего света. Количество отраженного света также различается в зависимости от поляризации входящего света. Входящий солнечный свет представляет собой смесь всех поляризаций, с равными количествами в прямом солнечном свете. Усредненные по всем поляризациям, потери на отражение приблизительно постоянны при углах падения до примерно 50°, за пределами которых они быстро увеличиваются. 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 преломления кремния и воздуха. Это вызывает деструктивную интерференцию в отраженном свете, уменьшая отраженное количество. Производители фотоэлектрических систем работают над уменьшением отражательной способности с помощью улучшенных антибликовых покрытий и текстурированного стекла. [9] [10]
Солнце проходит 360° с востока на запад за день, но с точки зрения любого фиксированного местоположения видимая часть составляет 180° в течение среднего полудневного периода (больше летом, немного меньше весной и осенью и значительно меньше зимой). Локальные эффекты горизонта несколько уменьшают это, делая эффективное движение около 150°. Солнечная панель в фиксированной ориентации между рассветом и закатом увидит движение на 75° в обе стороны и, таким образом, согласно таблице выше, будет терять более 75% энергии утром и вечером. Вращение панелей на восток и запад может помочь вернуть эти потери. Трекер, который пытается компенсировать только движение Солнца с востока на запад, известен как одноосный трекер.
Из-за наклона земной оси Солнце также перемещается на 46° к северу и югу в течение года. Тот же набор панелей, установленный в средней точке между двумя локальными экстремумами, таким образом, увидит, что Солнце перемещается на 23° в каждую сторону. Таким образом, согласно приведенной выше таблице, оптимально выровненный одноосный трекер (см. полярно выровненный трекер ниже) потеряет только 8,3% в летние и зимние сезонные экстремумы, или около 5% в среднем за год. И наоборот, вертикально или горизонтально выровненный одноосный трекер потеряет значительно больше в результате этих сезонных изменений в пути Солнца. Например, вертикальный трекер на участке на широте 60° потеряет до 40% доступной энергии летом, в то время как горизонтальный трекер, расположенный на широте 25°, потеряет до 33% зимой.
Трекер, который учитывает как суточные, так и сезонные движения, известен как двухосевой трекер. В общем, потери из-за сезонных изменений угла осложняются изменениями продолжительности дня, увеличивая сбор летом в северных или южных широтах. Это смещает сбор 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 совпадает с широтой места).
В отрасли ведутся серьезные споры о том, оправдывает ли небольшая разница в годовом сборе между одно- и двухосными трекерами добавленную сложность двухосного трекера. Недавний обзор фактической статистики производства из южного Онтарио показал, что разница в общей сложности составляет около 4%, что намного меньше дополнительных затрат на двухосные системы. Это невыгодно по сравнению с улучшением на 24–32% между фиксированным массивом и одноосным трекером. [11] [12]
Вышеуказанные модели предполагают равномерную вероятность облачного покрова в разное время дня или года. В разных климатических зонах облачный покров может меняться в зависимости от сезона, влияя на усредненные показатели производительности, описанные выше. В качестве альтернативы, например, в районе, где облачный покров в среднем накапливается в течение дня, могут быть особые преимущества в сборе утреннего солнца.
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 солнечного излучения, достигающего 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 по мере приближения Солнца к горизонту.
Даже если солнце не кажется особенно жарким ранним утром или в зимние месяцы, диагональный путь через атмосферу оказывает меньшее, чем ожидалось, влияние на интенсивность солнечного излучения. Даже когда солнце находится всего в 15° над горизонтом, интенсивность солнечного излучения может составлять около 60% от максимального значения, около 50% при 10° и 25% при всего лишь 5° над горизонтом. [13] Поэтому, если трекеры могут следить за Солнцем от горизонта до горизонта, то их солнечные панели могут собирать значительное количество энергии.
Эффективность преобразования энергии фотоэлектрического элемента оказывает большое влияние на конечный результат, независимо от того, используется ли отслеживание.
Эффективность фотоэлектрических солнечных элементов снижается с ростом температуры со скоростью около 0,4%/°C. [14] Например, эффективность примерно на 20% выше при 10 °C ранним утром или зимой, чем при 60 °C в жаркий день или летом. Поэтому трекеры могут обеспечить дополнительную выгоду, собирая энергию ранним утром и зимой, когда элементы работают с максимальной эффективностью.
Трекеры для концентрирующих коллекторов должны использовать высокоточное отслеживание, чтобы удерживать коллектор в точке фокусировки.
Трекеры для неконцентрирующих плоских панелей не требуют высокой точности отслеживания:
Преимущества отслеживания неконцентрирующих плоских коллекторов заключаются в следующем:
Солнечные коллекторы могут представлять собой неконцентрирующие плоские панели, обычно фотоэлектрические или водонагревательные, или концентрирующие системы различных типов.
Системы крепления солнечных коллекторов могут быть фиксированными (выравниваются вручную) или отслеживаемыми. Различные типы солнечных коллекторов и их местоположение ( широта ) требуют различных типов механизмов отслеживания. Системы отслеживания могут быть сконфигурированы как фиксированный коллектор/движущееся зеркало – гелиостат – или как движущийся коллектор
Бытовые и маломощные коммерческие или промышленные солнечные панели на крыше и панели солнечных водонагревателей обычно фиксированы, часто монтируются заподлицо на соответствующим образом обращенной скатной крыше. Преимущества фиксированных креплений перед трекерами включают в себя следующее:
Фиксированные крепления обычно используются в сочетании с неконцентрирующими системами; однако важным классом неотслеживающих концентрирующих коллекторов, представляющих особую ценность в странах третьего мира, являются портативные солнечные печи . Они используют относительно низкие уровни концентрации, обычно около 2–8 Солнц, и выравниваются вручную.
Несмотря на то, что фиксированная плоская панель может быть настроена на сбор большой доли доступной энергии в полдень, значительная мощность также доступна ранним утром и поздним вечером [13], когда несоосность с фиксированной панелью становится слишком большой, чтобы собрать разумную долю доступной энергии. Например, даже когда Солнце находится всего в 10° над горизонтом, доступная энергия может составлять около половины уровней энергии в полдень (или даже больше в зависимости от широты, сезона и атмосферных условий).
Таким образом, основное преимущество системы слежения заключается в сборе солнечной энергии в течение самого длительного периода дня и с максимально точным выравниванием, поскольку положение Солнца меняется в зависимости от времени года.
Кроме того, чем выше 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.
Многие коллекторы не могут перемещаться, например, высокотемпературные коллекторы, где энергия извлекается в виде горячей жидкости или газа (например, пара). Другие примеры включают прямое отопление и освещение зданий и стационарные встроенные солнечные печи, 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 наведения солнечных лучей на цель, зеркало гелиостата обычно использует двухосную систему слежения, по крайней мере одна ось которой механизирована. В различных применениях зеркала могут быть плоскими или вогнутыми.
Трекеры можно сгруппировать в классы по количеству и ориентации осей трекера. По сравнению с фиксированным креплением, одноосный трекер увеличивает годовой выпуск примерно на 30%, а двухосный трекер еще на 10–20%. [15] [16]
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 привода и типу привода, их предполагаемому применению, их вертикальным опорам и фундаменту.
Плавающие острова солнечных панелей устанавливаются на водохранилищах и озерах в Нидерландах, Китае, Великобритании и Японии. Система слежения за солнцем, контролирующая направление панелей, работает автоматически в зависимости от времени года, изменяя положение с помощью тросов, прикрепленных к буям . [17]
Солнечные трекеры могут быть построены с использованием «плавающего» фундамента, который располагается на земле без необходимости в инвазивных бетонных фундаментах. Вместо того, чтобы размещать трекер на бетонном фундаменте, трекер помещается на гравийный поддон, который может быть заполнен различными материалами, такими как песок или гравий, чтобы закрепить трекер на земле. Эти «плавающие» трекеры могут выдерживать ту же ветровую нагрузку, что и традиционный фиксированный трекер. Использование плавающих трекеров увеличивает количество потенциальных площадок для коммерческих солнечных проектов, поскольку их можно размещать поверх закрытых свалок или в районах, где выкопанные фундаменты нецелесообразны.
Солнечные трекеры могут быть построены без необходимости в механическом оборудовании для отслеживания. Это называется оптическим отслеживанием без движения. Renkube стал пионером в области стеклянной конструкции для перенаправления света с использованием технологии оптического отслеживания без движения.
Фотоэлектрические панели принимают как прямой, так и рассеянный свет с неба. Панели на стандартных фотоэлектрических трекерах собирают как доступный 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, собранной из прямого компонента входящего солнечного света.
Физика стандартных фотоэлектрических трекеров работает со всеми стандартными технологиями фотоэлектрических модулей. Они включают все типы кристаллических кремниевых панелей ( моно-Si или мульти-Si ) и все типы тонкопленочных панелей (аморфный кремний, CdTe, CIGS, микрокристаллические).
Оптика в модулях CPV принимает прямую составляющую входящего света и поэтому должна быть ориентирована соответствующим образом, чтобы максимизировать собранную энергию. В приложениях с низкой концентрацией часть рассеянного света с неба также может быть захвачена. Функциональность отслеживания в модулях CPV используется для ориентации оптики таким образом, чтобы входящий свет фокусировался на фотоэлектрическом коллекторе.
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.
Физика, лежащая в основе оптики CPV, требует, чтобы точность отслеживания увеличивалась по мере увеличения коэффициента концентрации системы. Однако для заданной концентрации невизуализирующая оптика обеспечивает максимально возможные углы приема , что может быть использовано для снижения точности отслеживания. [20] [21]
В типичных системах высокой концентрации точность отслеживания должна быть в диапазоне ± 0,1°, чтобы обеспечить примерно 90% номинальной выходной мощности. В системах низкой концентрации точность отслеживания должна быть в диапазоне ± 2,0°, чтобы обеспечить 90% номинальной выходной мощности. В результате, высокоточные системы отслеживания являются типичными.
Концентрированные фотоэлектрические трекеры используются с рефракционными и отражательными системами концентраторов. Существует ряд новых технологий фотоэлектрических ячеек, используемых в этих системах. Они варьируются от обычных фотоэлектрических приемников на основе кристаллического кремния до приемников с тройным переходом на основе германия .
Одноосные трекеры имеют одну степень свободы , которая действует как ось вращения . Ось вращения одноосных трекеров обычно выровнена вдоль истинного северного меридиана. Их можно выровнять в любом кардинальном направлении с помощью расширенных 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 полярным выравниванием (PSAT). Ориентация модуля относительно оси трекера важна при моделировании производительности.
Ось вращения горизонтального одноосного трекера горизонтальна по отношению к земле, и ось может быть либо на линии север-юг, либо на линии восток-запад. Стойки на обоих концах оси вращения горизонтального одноосного трекера могут быть общими для трекеров, чтобы снизить стоимость установки. Этот тип солнечного трекера лучше всего подходит для регионов с низкими широтами. Полевые макеты с горизонтальными одноосными трекерами очень гибкие. Простая геометрия означает, что сохранение всех осей вращения параллельными друг другу — это все, что требуется для надлежащего расположения трекеров относительно друг друга. Соответствующее расстояние может максимизировать соотношение производства энергии к стоимости, причем это зависит от локального рельефа и условий затенения, а также от времени суток значения произведенной энергии. Обратное отслеживание является одним из способов вычисления расположения панелей. Горизонтальные трекеры обычно имеют лицевую сторону модуля, ориентированную параллельно оси вращения. Когда модуль отслеживает, он огибает цилиндр, который вращательно симметричен вокруг оси вращения. В одноосных горизонтальных трекерах длинная горизонтальная трубка поддерживается подшипниками, установленными на пилонах или рамах. Панели устанавливаются на трубке, и трубка вращается вокруг своей оси, чтобы отслеживать видимое движение Солнца в течение дня. Отслеживание направлено на минимизацию угла между лучом света и нормалью панели в любой момент времени.
В HSAT модули устанавливаются плоско под углом 0°, тогда как в HTSAT модули устанавливаются под определенным наклоном. Он работает по тому же принципу, что и HSAT, сохраняя ось трубки горизонтальной в линии север-юг и вращая солнечные модули с востока на запад в течение дня. Эти трекеры обычно подходят для высокоширотных мест, но не занимают столько места на земле, как вертикальные одноосные трекеры (VSAT). Таким образом, он приносит преимущества VSAT в горизонтальный трекер и минимизирует общую стоимость солнечного проекта. [23] [24]
Ось вращения вертикальных одноосных трекеров вертикальна по отношению к земле. Эти трекеры вращаются с востока на запад в течение дня. Такие трекеры более эффективны в высоких широтах, чем горизонтальные одноосные трекеры. Планировка полей должна учитывать затенение, чтобы избежать ненужных потерь энергии и оптимизировать землепользование. Кроме того, оптимизация для плотной упаковки ограничена из-за характера затенения в течение года. Вертикальные одноосные трекеры обычно имеют лицевую сторону модуля, ориентированную под углом по отношению к оси вращения. Когда модуль отслеживает, он очерчивает конус, который вращательно симметричен вокруг оси вращения.
Все трекеры с осями вращения между горизонталью и вертикали считаются наклонными одноосными трекерами. Углы наклона трекера часто ограничиваются для уменьшения профиля ветра и уменьшения высоты приподнятого конца. При обратном слежении они могут быть упакованы без затенения перпендикулярно их осям вращения при любой плотности. Однако упаковка параллельно их осям вращения ограничена углом наклона и широтой. Наклонные одноосные трекеры обычно имеют лицевую сторону модуля, ориентированную параллельно оси вращения. Когда модуль отслеживает, он огибает цилиндр, который вращательно симметричен вокруг оси вращения.
Двухосные трекеры имеют две степени свободы, которые действуют как оси вращения. Эти оси обычно перпендикулярны друг другу. Ось, которая фиксирована относительно земли, можно считать первичной осью. Ось, которая ссылается на первичную ось, можно считать вторичной осью. Существует несколько распространенных реализаций двухосных трекеров. Они классифицируются по ориентации их первичных осей относительно земли. Две распространенные реализации — это двухосные трекеры tip-tilt (TTDAT) и двухосные трекеры azimuth-altitude (AADAT). Ориентация модуля относительно оси трекера важна при моделировании производительности. Двухосные трекеры обычно имеют модули, ориентированные параллельно вторичной оси вращения. Двухосные трекеры обеспечивают оптимальные уровни солнечной энергии благодаря своей способности следовать за Солнцем вертикально и горизонтально. Независимо от того, где на небе находится Солнце, двухосные трекеры могут наклоняться так, чтобы указывать прямо на Солнце.
Двухосевой трекер наклона-наклона (TTDAT) так назван, потому что массив панелей установлен на вершине столба. На вершине столба находится двухосный универсальный шарнир, который обеспечивает как эффективное горизонтальное вращение, так и вертикальный наклон панелей и обеспечивает несущую способность массива. Наклон и наклон управляются внешними приводами. Движение по горизонту осуществляется путем прокатки массива вокруг вершины столба. Это обеспечивает большую гибкость соединения полезной нагрузки с наземным оборудованием, поскольку нет скручивания кабелей вокруг столба.
Простая геометрия означает, что сохранение осей вращения параллельными друг другу — это все, что требуется для надлежащего расположения трекеров относительно друг друга. Обычно трекеры должны быть расположены с довольно низкой плотностью, чтобы один трекер не отбрасывал тень на другие, когда Солнце находится низко в небе. Правильное размещение трекеров в массиве — единственный способ убедиться, что утренняя/вечерняя солнечная энергия может быть собрана. Сбор утренней/вечерней солнечной энергии — это то, что отличает 2-осевой трекер от фиксированного или 1-осевого отслеживания. Одноосевые трекеры используют «обратное отслеживание» для учета самозатенения, но это не должно быть проблемой для 2-осевого отслеживания. Если вы собираетесь потратиться на установку 2-осевого трекера, зачем экономить, ограничивая вечернее солнце, разместите трекеры правильно и наслаждайтесь максимальным сбором.
Оси вращения многих двухосевых трекеров с наклоном и наведением на цель раннего поколения обычно ориентированы либо вдоль истинного северного меридиана, либо вдоль линии широты восток-запад.
Солнечный трекер, следующий за солнцем, описанный в этом параграфе, имеет горизонтальную первичную ось вращения и вторичную ось вращения, которая всегда остается ортогональной первичной оси. Вращение массива вокруг вертикальной оси (крепление на столбе) отсутствует. Чистое вращение вокруг первичной и вторичной осей позволяет массиву «вращаться» вокруг вертикальной оси (верхняя часть столба). Учитывая уникальные возможности этой конфигурации наклона и наклона, полностью автоматическое отслеживание возможно для использования на переносных или стационарных платформах. Этот «следящий за солнцем» трекер реагирует только на местоположение солнца или самой яркой области облачного неба (рассеянное освещение). Следовательно, он может следовать за солнцем вокруг горизонта, когда оно движется в течение 24-часового летнего дня в Арктике. Нет необходимости в астрономических расчетах для определения положения солнца, а ориентация осей трекера не имеет особого значения и может быть размещена по мере необходимости. [27]
Азимутально-высотный (или альт-азимутальный ) двухосевой трекер (AADAT) имеет свою первичную ось (ось азимута), вертикальную к земле. Вторичная ось, часто называемая осью возвышения, обычно перпендикулярна первичной оси. Они похожи на системы наклона-наклона в работе, но они отличаются способом вращения массива для ежедневного отслеживания. Вместо вращения массива вокруг вершины шеста, системы AADAT могут использовать большое кольцо, установленное на земле, с массивом, установленным на ряде роликов. Главное преимущество такого расположения заключается в том, что вес массива распределяется по части кольца, в отличие от единственной точки нагрузки шеста в TTDAT. Это позволяет AADAT поддерживать гораздо большие массивы. Однако, в отличие от TTDAT, система AADAT не может быть размещена ближе друг к другу, чем диаметр кольца, что может снизить плотность системы, особенно с учетом затенения между трекерами.
Как описано ниже, экономический баланс между стоимостью панелей и трекеров. 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, неподходящие для небольших или ремесленных мастерских. Даже коммерческие предложения могут иметь довольно неподходящие решения (большой камень) для стабилизации. Для небольшой (любительской/энтузиастской) конструкции критерии, которые должны быть соблюдены, включают экономичность, устойчивость конечного продукта к стихийным опасностям, простоту обработки материалов и столярных изделий. [28]
Выбор типа трекера зависит от многих факторов, включая размер установки, тарифы на электроэнергию, государственные стимулы, ограничения по земельным участкам, широту и местные погодные условия.
Горизонтальные одноосные трекеры обычно используются для крупных проектов распределенной генерации и проектов коммунального масштаба. Сочетание улучшения энергопотребления, более низкой себестоимости продукта и более низкой сложности установки приводит к убедительной экономике при крупных развертываниях. Кроме того, высокая производительность во второй половине дня особенно желательна для крупных сетевых фотоэлектрических систем, чтобы производство соответствовало пиковому спросу. Горизонтальные одноосные трекеры также добавляют значительную часть производительности в весенние и летние сезоны, когда Солнце высоко в небе. Присущая им прочность опорной конструкции и простота механизма также приводят к высокой надежности, что снижает затраты на техническое обслуживание. Поскольку панели расположены горизонтально, их можно компактно разместить на трубе оси без опасности самозатенения, а также они легкодоступны для очистки.
Вертикально-осевой трекер поворачивается только вокруг вертикальной оси, при этом панели находятся под фиксированным, регулируемым или отслеживаемым углом возвышения. Такие трекеры с фиксированными или (сезонно) регулируемыми углами подходят для высоких широт, где видимый солнечный путь не особенно высок, но что приводит к длинным дням летом, когда Солнце проходит по длинной дуге.
Двухосевые трекеры обычно используются в небольших жилых помещениях и местах с очень высокими государственными тарифами на электроэнергию. Конечно, это изменится, когда отрасли, связанные с солнечной энергией, поймут значение типичной 30%-ной потери энергии в периоды пикового спроса. Стимулы для производства солнечной энергии, когда она больше всего нужна, приведут к возобновлению интереса к двухосевым трекерам.
Это устройство использует несколько зеркал в горизонтальной плоскости для отражения солнечного света вверх к высокотемпературной системе, требующей концентрированной солнечной энергии. Структурные проблемы и расходы значительно сокращаются, 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 более низких широтах. Каждый из представленных блоков вырабатывает приблизительно 200 пиковых ватт постоянного тока.
Многозеркальная отражательная система в сочетании с центральной силовой башней была использована в Sierra SunTower , расположенной в Ланкастере, Калифорния. Эта генерирующая установка, эксплуатируемая eSolar , работала с 2009 по 2014 год. Эта система, которая использовала несколько гелиостатов в направлении север-юг, использовала готовые детали и конструкцию как способ снижения затрат на запуск и эксплуатацию.
Активные трекеры используют двигатели и зубчатые передачи для отслеживания солнца. 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 структур разрабатываются и тщательно тестируются специальные поворотные приводы . Технологии, используемые для управления трекером, постоянно развиваются, и последние разработки Google и Eternegy включают использование тросов и лебедок для замены некоторых более дорогих и более хрупких компонентов. [ необходима цитата ]
Противовращающиеся поворотные приводы, охватывающие фиксированную угловую опору, могут применяться для создания метода отслеживания «многоосевого», который исключает вращение относительно продольного выравнивания. Этот метод, если он размещен на колонне или столбе, будет генерировать больше электроэнергии, чем фиксированные фотоэлектрические панели, и его массив фотоэлектрических панелей никогда не повернется на проезжую часть парковки. Он также позволит максимально генерировать солнечную энергию практически в любой ориентации полосы/ряда парковки, включая круговую или криволинейную.
Активные двухосные трекеры также используются для ориентации гелиостатов — подвижных зеркал, которые отражают солнечный свет в сторону поглотителя центральной электростанции . Поскольку каждое зеркало в большом поле будет иметь индивидуальную ориентацию, они управляются 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, чтобы они выдавали ноль при получении того же светового потока. Механически они должны быть всенаправленными (т. е. плоскими) и направленными на 90 градусов друг от друга. Это приведет к тому, что самая крутая часть их косинусных передаточных функций будет сбалансирована в самой крутой части, что означает максимальную чувствительность. Для получения дополнительной информации о контроллерах см. Active Daylighting .
Поскольку двигатели потребляют энергию, их хочется использовать только по мере необходимости. Поэтому вместо непрерывного движения гелиостат перемещается дискретными шагами. Кроме того, если уровень освещенности ниже некоторого порогового значения, не будет достаточной мощности для переориентации. Это также верно, когда нет достаточной разницы в уровне освещенности от одного направления к другому, например, когда облака проходят над головой. Необходимо учесть, чтобы трекер не тратил энергию впустую в периоды облачности.
Наиболее распространенные пассивные трекеры используют сжатый газ с низкой температурой кипения, который перемещается в одну или другую сторону (солнечным теплом, создающим давление газа), чтобы заставить трекер двигаться в ответ на дисбаланс. Поскольку это неточная ориентация, она не подходит для определенных типов концентрирующих фотоэлектрических коллекторов, но отлично подходит для обычных типов фотоэлектрических панелей. Они будут иметь вязкие демпферы для предотвращения чрезмерного 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, необходимое для этого, можно значительно сократить, добавив самораскрепляющееся крепление, которое размещает панель немного дальше зенита (чтобы жидкости не приходилось преодолевать силу тяжести), и используя крепление вечером. (Слабо натянутая пружина предотвратит освобождение в ветреную ночную погоду.)
Новый тип пассивного трекера для фотоэлектрических солнечных панелей использует голограмму за полосами фотоэлектрических ячеек, так что солнечный свет проходит через прозрачную часть модуля и отражается на голограмме. Это позволяет солнечному свету попадать на ячейку сзади, тем самым увеличивая эффективность модуля. Кроме того, панель не должна двигаться, поскольку голограмма всегда отражает солнечный свет под правильным углом к ячейкам.
В некоторых развивающихся странах приводы были заменены операторами, которые настраивают трекеры. Это имеет преимущества надежности, наличия персонала для обслуживания и создания рабочих мест для населения в непосредственной близости от объекта.
В Фрайбурге-им-Брайсгау, Германия, Рольф Диш построил Heliotrop в 1996 году — жилое здание, вращающееся вместе с солнцем и имеющее дополнительный двухосный фотоэлектрический парус на крыше. Он производит в четыре раза больше энергии, чем потребляет здание.
Дом Gemini — уникальный пример вертикального осевого трекера. Этот цилиндрический дом в Австрии (широта выше 45 градусов северной широты ) полностью вращается, чтобы отслеживать Солнце, с вертикальными солнечными панелями, установленными на одной стороне здания, вращающимися независимо, что позволяет контролировать естественное отопление от Солнца.
ReVolt House — это вращающийся плавучий дом, спроектированный студентами TU Delft для конкурса Solar Decathlon Europe в Мадриде . Дом был завершен в сентябре 2012 года. Непрозрачный фасад поворачивается к Солнцу летом, чтобы предотвратить нагревание интерьера. Зимой стеклянный фасад обращен к Солнцу для пассивного солнечного отопления дома. Поскольку дом плавает без трения по воде, его вращение не требует много энергии. [29]
Трекеры увеличивают стоимость и обслуживание системы — если они добавляют 25% к стоимости и улучшают выход на 25%, то ту же производительность можно получить, сделав систему на 25% больше, исключив дополнительное обслуживание. [31] Трекинг был очень экономически эффективным в прошлом, когда фотоэлектрические модули были дорогими по сравнению с сегодняшним днем. Поскольку они были дорогими, было важно использовать трекинг, чтобы минимизировать количество панелей, используемых в системе с заданной выходной мощностью. Но по мере того, как панели дешевеют, экономическая эффективность трекинга по сравнению с использованием большего количества панелей снижается. Однако в автономных установках, где батареи хранят энергию для использования в течение ночи, система трекинга сокращает часы использования сохраненной энергии, тем самым требуя меньшей емкости батареи. Поскольку сами батареи дороги (либо традиционные свинцово-кислотные стационарные элементы, либо более новые литий-ионные батареи), их стоимость необходимо включить в анализ затрат.
Отслеживание также не подходит для типичных жилых фотоэлектрических установок на крыше. Поскольку отслеживание требует, чтобы панели наклонялись или иным образом перемещались, необходимо предусмотреть меры, позволяющие это сделать. Это требует, чтобы панели были смещены на значительное расстояние от крыши, что требует дорогостоящих стеллажей и увеличивает ветровую нагрузку. Кроме того, такая установка не будет эстетически привлекательной для установки на жилых крышах. Из-за этого (и высокой стоимости такой системы) отслеживание не используется на жилых установках на крыше 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. Отслеживание может (и иногда используется) использоваться для жилых наземных установок, где возможна большая свобода перемещения.
Отслеживание также может вызывать 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 эффектов угла профиля. Например, если у вас есть несколько панелей в ряд с востока на запад, то 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 достаточно далеко, чтобы предотвратить затенение в системах с отслеживанием, что может снизить доступную мощность из данной области в пиковые часы Солнца. Это не большая проблема, если есть достаточная площадь земли, чтобы широко разнести панели. Но это снизит выходную мощность в определенные часы дня (например, около солнечного полудня) по сравнению с фиксированным массивом. Оптимизация этой проблемы с помощью математики называется обратным отслеживанием.
Кроме того, одноосные системы слежения склонны становиться нестабильными при относительно умеренных скоростях ветра (галопирование). Это происходит из-за крутильной нестабильности одноосных солнечных систем слежения. Должны быть реализованы меры против галопирования, такие как автоматическая укладка и внешние демпферы. [32]
