Поскольку внедрение солнечной энергии в мире продолжает ускоряться, исследователи и инженеры сталкиваются с фундаментальной пространственной задачей: как вырабатывать больше электроэнергии, не занимая при этом больше земли?
Козимо Боррелло и Фердинандо Джойя — сооснователи итальянского стартапа в области фотовольтаики A.M.P.S. — вместе с командой исследователей из Университета «Медитерранеа» в Реджо-Калабрии разработали и испытали в полевых условиях динамичный двухслойный фотоэлектрический прототип, предназначенный для максимизации выработки солнечной энергии на один квадратный метр площади земли.
Задача: преодоление земельных ограничений
Традиционные однослойные солнечные электростанции требуют значительного расстояния между рядами во время солнечного трекинга, чтобы избежать взаимного затенения. Хотя трекинг увеличивает выработку энергии на один модуль, дополнительное пространство снижает общую производительность энергии на единицу площади земли.
Чтобы решить эту проблему, инноваторы из A.M.P.S. и университета расположили два вертикально выровненных слоя двусторонних (бифасиальных) солнечных мини-модулей на той же площади земли, что и однослойная установка. Вместо того чтобы мириться с неизбежными тенями, отбрасываемыми верхним слоем на нижний, команда внедрила независимое отслеживание солнца для установленных друг над другом панелей. Динамически управляя вращением панелей, система активно управляет взаимным затенением, собирая прямой, рассеянный и отраженный солнечный свет обеими активными поверхностями.
Мозг установки: GIGA R1 WiFi
В основе экспериментального стенда в Реджо-Калабрии (Италия) лежит плата GIGA R1 WiFi. Установленная на специально разработанной печатной плате управления, она выступает в качестве центрального встроенного менеджера всей установки:
- Автоматизированное управление движением: она структурирована так, чтобы координировать двенадцать шаговых двигателей Nema23 через специализированные драйверы DM542T для независимой регулировки углов поворота двенадцати двусторонних мини-модулей на обоих слоях.
- Независимое измерение тока: она спроектирована для получения в реальном времени измерений тока от двенадцати датчиков INA260, подключенных к каждому модулю, для отслеживания энергетической производительности.
- Удаленное ведение журнала данных: она создана для обработки синхронизированных разверток тока и загрузки экспериментальных данных напрямую на удаленный сервер для анализа.
«Мы выбрали GIGA R1 WiFi, потому что в ней есть все необходимое для такого прототипа, как наш: множество портов ввода-вывода, быстрый двухъядерный микроконтроллер и встроенный Wi-Fi на одной плате», — рассказал нам Козимо. — «Нам нужно было независимо управлять двенадцатью шаговыми двигателями, считывать данные с двенадцати концевых выключателей и двенадцати датчиков тока, а также отправлять данные на удаленный сервер, и лишь очень немногие платы способны справиться со всем этим самостоятельно. Поскольку в прошлых проектах мы часто использовали плату Arduino Mega, GIGA R1 стала естественным следующим шагом: тот же знакомый форм-фактор, но гораздо больше мощности и возможностей подключения. Она позволила нам быстро получить надежную платформу управления, так что мы могли сосредоточиться на фотоэлектрических исследованиях, а не на электронике».
Результаты в реальных условиях и будущие применения
В ходе полевых испытаний в условиях ясного неба, когда верхний слой отслеживал солнце, а нижний был зафиксирован, исследователи сообщили о следующих увеличениях тока короткого замыкания (тестового измерения, которое не совпадает с общим объемом производства энергии) по сравнению с фиксированной однослойной установкой, занимающей ту же площадь земли:
- Около +42% по сравнению с односторонней однослойной установкой.
- Около +27% по сравнению с двусторонней однослойной установкой.
- Около +39% и +25% соответственно при использовании упрощенной модели трекинга с разомкнутым контуром на основе сигмоидальной функции с пятью параметрами, которые, по словам исследователей, близки к результатам, полученным при управлении с замкнутым контуром.
Исследователи видят потенциальные применения: от компактных крышных модулей для городских условий с дефицитом пространства до промышленных электростанций и агрофотовольтаики. В сельскохозяйственных условиях динамичное вращение обоих слоев также может позволить операторам регулировать количество естественного солнечного света, достигающего посевов, хотя эти применения не оценивались в описанном полевом испытании.
Выступая в качестве надежной платформы управления, GIGA R1 WiFi помогла команде быстро перейти от концепции к полевой проверке, продемонстрировав, как доступное аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом может поддерживать передовые исследования в области чистой энергетики и эффективности землепользования.
Хотите изучить математические модели, алгоритмы управления и полные данные испытаний? Прочитайте материал на PV Magazine или ознакомьтесь с полной опубликованной статьей в журнале Renewable Energy.
Arduino, Arduino Mega, GIGA R1 являются товарными знаками или зарегистрированными товарными знаками Arduino S.r.l.
