Солнечная энергетика остаётся ключевым направлением в развитии устойчивых источников энергии. Однако одной из главных проблем, снижающих эффективность фотоэлектрических (ФЭ) систем, является частичное затенение. Недавнее исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports от издательства Nature (Nature), предлагает инновационное решение — технику «перестановки квадрантов», которая значительно повышает выходную мощность солнечных панелей при затенении.
Авторы статьи — Харихарасудан Тангарадж (Hariharasudhan Thangaraj), Бхаратираджа Чоккалингам (Bharatiraja Chokkalingam), Сактхивел Аручами (Sakthivel Aruchamy), Принс Уинстон Дэвид (Prince Winston David) и Сандживикумар Падманабан (Sanjeevikumar Padmanaban) — провели серию экспериментов с матрицей солнечных модулей 4×4, подвергая её десяти различным сценариям затенения. Их цель заключалась в том, чтобы минимизировать потери мощности и несоответствие между модулями, увеличив при этом коэффициент заполнения (fill factor, FF) и общую производительность системы.
«Предложенная техника перестановки квадрантов демонстрирует улучшение выходной мощности, коэффициента заполнения и снижение потерь мощности и несоответствия при всех сценариях частичного затенения», — отмечают исследователи.
В отличие от традиционных конфигураций, таких как последовательная (SP), перекрёстная (TCT), гибридная SP-TCT и сотоподобная HC-TCT, новая методика использует переключающую матрицу, позволяющую динамически перераспределять модули между четырьмя квадрантами массива. Это позволяет адаптировать систему к изменяющимся условиям освещённости и максимально использовать доступную солнечную энергию.
Например, в сценарии (f), где уровни освещённости составляли 1000, 900 и 700 Вт/м², техника перестановки квадрантов обеспечила максимальную выходную мощность в 136 Вт, коэффициент заполнения 0.57, потери мощности — всего 1.4%, а потери несоответствия — 2 Вт. В других случаях, таких как (e), (g) и (j), потери мощности и несоответствия были полностью устранены.
Экспериментальная установка включала пирометры для измерения освещённости, а также переключающие схемы, позволяющие перенаправлять ток между модулями. Модули соединялись по схеме «последовательно-параллельно», что является наиболее распространённой конфигурацией в промышленности. Однако именно возможность динамической перестановки модулей между квадрантами дала ощутимое преимущество.
«В условиях частичного затенения предложенная техника обеспечивает более высокую стабильность извлечения энергии по сравнению с традиционными методами», — подчёркивают авторы исследования.
Для повышения выработки электроэнергии предлагаемый метод перестановки квадрантов применяется к последовательно-параллельной электропроводке матричной фотоэлектрической батареи 4×4. Фотоэлектрические модули (M11, M12, M13, M14, M21, …, M44) соединены в последовательно-параллельную конфигурацию, как показано на рис. 3a. Фотоэлектрическая батарея разделена на четыре квадранта: Q11 и Q12 — квадрант 1, Q21 и Q22 — квадрант 2, Q31 и Q32 — квадрант 3, а Q41 и Q42 — квадрант 4. Во время затенения переключатели (S1, S2 и т. д.) регулируют поток мощности в различные квадранты. Фотоэлектрическая батарея 1 подключена к квадранту Q22 на рис. (c) путем замыкания S1 и S3. Для других подрисунков была применена аналогичная логика, которая обеспечивает возможность распределения фотоэлектрических модулей по различным квадрантам по мере необходимости.
Кроме технических параметров, исследование включает технико-экономический анализ. Согласно расчётам, срок окупаемости системы с техникой перестановки квадрантов составляет 6 лет, что на 13.33% меньше, чем у стандартной SP-конфигурации. Это делает метод не только эффективным, но и экономически целесообразным.
Важным аспектом является универсальность метода: он может быть масштабирован для крупных солнечных электростанций. При этом, как отмечают авторы, дальнейшее снижение количества переключателей может ещё больше повысить эффективность системы.
Исследование также сравнивает новую технику с другими современными методами, включая алгоритм «медоеда» (Honey Badger Algorithm, HBA), хаотическую перестановку по карте Бейкера (Chaotic Baker Map, CBM) и гибридные структуры, такие как L-образные массивы. Несмотря на то, что некоторые из этих методов также демонстрируют улучшение производительности, техника перестановки квадрантов показывает наилучшие результаты в условиях сложного затенения.
«Предложенная методика может быть применена к крупным ФЭ системам для повышения их производительности», — заключают авторы, подчёркивая потенциал метода для будущих разработок в области солнечной энергетики.
Таким образом, техника перестановки квадрантов представляет собой значительный шаг вперёд в борьбе с одной из главных проблем солнечных панелей — частичным затенением. Она сочетает в себе простоту реализации, высокую эффективность и экономическую выгоду, открывая новые горизонты для развития устойчивой энергетики.
Источник: Nature, Scientific Reports.
