Ученые из Катара разработали новый подход к оптимизации жилых двусторонних фотоэлектрических систем, сочетая ориентацию на юг и вертикальную ориентацию на восток. Согласно сообщениям, новая методология позволяет увеличить чистую приведенную стоимость системы на 21,6%.
Исследовательская группа под руководством учёных из Катарского университета науки и технологий в Дохе изучила оптимизацию двусторонних фотоэлектрических панелей для жилых помещений, уделяя особое внимание максимизации экономической выгоды на основе профилей нагрузки.
«Это исследование представляет собой инновационный подход к оптимизации бифасальных фотоэлектрических панелей в жилых помещениях за счёт сочетания ориентации на юг и вертикально установленных конфигураций, ориентированных на восток», — сказал автор исследования Мухаммад Зубаир в интервью журналу pv.
Используя программное обеспечение System Advisory Model (SAM), исследовательская группа сначала сравнила монофазные и бифазные системы, а затем оптимизировала последние при различных режимах нагрузки.
«Сравнивая конфигурации с нулевым экспортом, подключённые к сети, и конфигурации с чистым учётом, это исследование даёт полезную информацию о том, как максимизировать чистую приведённую стоимость (NPV) инвестиций в фотоэлектрические системы в условиях обратного выкупа в реальном времени, — заявили учёные. — В отличие от предыдущих исследований, которые в основном фокусировались на конфигурациях, ориентированных на юг, в этом исследовании представлена гибридная двусторонняя фотоэлектрическая система, сочетающая ориентацию на юг и восток-запад. Этот инновационный подход оптимизирует углы азимута и наклона на основе реальных профилей нагрузки жилых домов, обеспечивая три отдельных пика выработки энергии в течение дня».
Было смоделировано размещение фотоэлектрических систем на крыше в Исламабаде, столице Пакистана. В городе глобальная горизонтальная инсоляция (GHI) составляет 5,24 кВт·ч/м2/день при средней температуре 21,3 °C и средней скорости ветра 1,7 м/с. Нагрузка бытовых потребителей в среднем составляет 70 домов в городе. Местные затраты на электроэнергию и стоимость различных компонентов системы были рассчитаны на основе нескольких баз данных. Во всех случаях мощность системы составляла 5 кВт.
Моделирование показало, что двусторонние фотоэлектрические панели вырабатывают на 10% больше энергии, чем односторонние панели, расположенные на южной стороне. Кроме того, моделирование показало, что двусторонние панели обеспечивают на 13,6% более высокую чистую приведённую стоимость (NPV), на 4,5% более низкую удельную стоимость электроэнергии (LCOE) и на 5% более короткий срок окупаемости.
Проанализировав высоту вертикальной двусторонней системы в диапазоне от 0 до 2,5 м, учёные пришли к выводу, что она должна располагаться на высоте не менее 2 м над поверхностью. Они также отметили, что двусторонняя фотоэлектрическая система, установленная на высоте 2 м, имеет в 7,6 раз более высокую чистую приведённую стоимость, чем двусторонние фотоэлектрические панели, расположенные непосредственно на крыше.
В случае системы с нулевым экспортом, которая распространена в Пакистане, для оптимизации двусторонней системы с панелями, обращёнными на юг, требуется угол наклона 30° и азимутальный угол 190°, чтобы получить максимальную чистую приведённую стоимость в размере 2451 доллара США для профиля нагрузки заказчика. Если оптимизировать систему для ориентации на восток, то для достижения оптимальных результатов потребуется расположить панели вертикально, что приведёт к увеличению чистой приведённой стоимости на 9,7% до 2787 долларов США. Однако последняя система за год произвела на 18,5% меньше электроэнергии по сравнению с той, что была обращена на юг.
«Более высокая экономическая выгода при меньшем потреблении энергии в вертикальных двусторонних фотоэлектрических системах, обращённых на восток, обусловлена более длительным временем выработки энергии по сравнению с фотоэлектрическими панелями, обращёнными на юг, с одним пиком», — объяснили исследователи. «В первый год система, обращённая на восток, могла полностью удовлетворять потребность в электроэнергии в течение 3427 часов, в то время как система, обращённая на юг, могла удовлетворять потребность в электроэнергии в течение 3147 часов, что на 8,9% меньше, чем у системы, обращённой на восток».
Окончательный анализ включал разделение системы на две части: южную панель мощностью 2,5 кВт и восточную панель мощностью 2,5 кВт. Анализ показал, что время, в течение которого солнечная энергия может полностью удовлетворять потребности в электроэнергии, составляет 4226 часов в год, что на 1079 часов больше, чем у двусторонней солнечной панели, обращённой на юг. Чистая приведённая стоимость этой системы на 21,6% выше, чем у двусторонней фотоэлектрической системы, ориентированной на юг, и составляет 3091 доллар при себестоимости электроэнергии 1,87 цента за кВт·ч. Срок окупаемости составляет всего 3,43 года, — выяснили они.
В заключение своей статьи исследователи заявили, что двусторонние фотоэлектрические системы следует размещать вертикально, ориентируя их на восток, чтобы в режиме реального времени обеспечивать учёт электроэнергии в двух пиковых точках, когда другие фотоэлектрические установки не вырабатывают энергию на пике мощности. «Двусторонняя фотоэлектрическая система, ориентированная на восток, обеспечивает на 362 часа больше выработки электроэнергии в год, чем двусторонняя фотоэлектрическая система, ориентированная на юг», — заявили они.
Их результаты были представлены в статье «Оптимизация двусторонних фотоэлектрических панелей в жилом секторе для получения максимальной экономической выгоды с учётом профиля нагрузки», опубликованной в Energy Reports. Исследование провели учёные из Катарского университета науки и технологий в Дохе и Лахорского университета в Пакистане.