Экспериментальное сравнение эффективности фиксированных и одноосных подполей на крупной наземной солнечной электростанции

Почему это исследование солнечной энергетики важно

По мере того как всё больше стран обращается к солнцу для электроснабжения домов и городов, встает принципиальный вопрос: как на практике размещать солнечные панели, чтобы получить как можно больше электроэнергии? В этом исследовании рассматривается именно такой вопрос на примере большой пустынной электростанции в Алжире, где сравниваются неподвижные панели и панели, медленно следующие за солнцем. Результаты помогают понять, как проектировать более эффективные солнечные фермы в жарких и солнечных регионах, где каждый дополнительный процент энергии на счётчике имеет значение.

Пустынная станция как лаборатория в реальных условиях

Исследование проводилось на солнечной электростанции мощностью 1,1 МВт в окрестностях Гардии, на границе Сахары. Здесь солнечный свет очень интенсивен, но условия суровы: летом температура воздуха может приближаться к 50 °C, ветры приносят мелкий песок, а влажность колеблется от очень сухих дневных периодов до влажных утр. В пределах этой станции команда сосредоточилась на четырёх подполя́х примерно по 100 кВт каждое, все они были наклонены под углом 30 градусов и ориентированы на юг. Два подполя использовали монокристаллические кремниевые панели, два — поликристаллические. Для каждого типа материала одно подполе было установлено на фиксированных рамах, другое — на одноосных трекерах, которые поворачиваются восток–запад, чтобы следовать за солнцем.

Наблюдение за солнцем и панелями в течение сезонов

Вместо того чтобы опираться лишь на моделирование, исследователи измеряли фактическое поведение в полевых условиях. В течение четырёх дней 2016 года — по одному дню зимой, весной, летом и осенью — они записывали мощность каждого подполя каждые четыре минуты от восхода до заката. Одновременно метеостанция на крыше диспетчерской фиксировала уровень солнечного излучения, температуру воздуха, температуру панелей, скорость ветра и влажность. Команда также протестировала известную математическую модель солнечного излучения на наклонных поверхностях, сверяя её прогнозы входящей солнечной энергии с локальными географическими и атмосферными данными. Прогнозы модели хорошо согласовывались с измерениями, особенно летом и осенью, подтвердив, что она может надёжно оценивать доступное солнечное излучение в этом регионе, когда специализированных датчиков нет.

Фиксированные панели против панелей, следующих за солнцем

Кривые мощности показали, как разные настройки ведут себя в типичный день. В ясный весенний день фиксированное монокристаллическое подполе кратковременно достигло самого высокого пикового значения — примерно 96 кВт — немного превзойдя своё трекерное «братское» поле, поскольку в полдень условия благоприятствовали его точной ориентации. Но если смотреть на весь день целиком, картина менялась. Во всех четырёх сезонах трекерные системы обеспечивали больший средний уровень мощности и больший суммарный суточный выработок, чем фиксированные системы. Летом одноосное монокристаллическое подполе давало примерно на 19% больше средней мощности, чем его фиксированный аналог, а трекерное поликристаллическое поле выигрывало около 21% у своего фиксированного двойника. Суточная энергия следовала той же закономерности: в июльский тестовый день трекерные поля достигали примерно 788 и 715 кВт·ч, явно превосходя фиксированные поля, которые оставались ниже 640 и 560 кВт·ч соответственно.

Как погода влияет на работу станций

Поскольку каждое измерение было связано с погодными данными, исследование смогло выделить, как природа способствует или мешает работе станции. Более сильное солнечное излучение естественно повышало мощность, и трекеры улавливали больше света, лучше ориентируя поверхности на солнце в течение дня, особенно утром и поздним вечером. Температуры, которые часто вызывают беспокойство у проектировщиков, оставались близкими к предпочтительному диапазону панелей, так что потери КПД были умеренными; в самый жаркий летний день высокие температуры в сочетании с интенсивным солнцем всё равно совпадали с наибольшим приростом мощности у трекерных систем. Ветер оказался тихим союзником: бризы охлаждали панели и иногда сдували пыль, улучшая выработку, тогда как высокая влажность и облачность зимой и осенью снижали производительность, затемняя свет и способствуя конденсации влаги на поверхностях панелей.

Цифры, подтверждающие преимущество трекинга

Чтобы сделать сравнение наглядным, исследователи вычислили «процент увеличения», показывающий, насколько больше средней мощности давали трекерные поля по сравнению с фиксированными полями того же типа панелей. Даже в менее благоприятные зимние и осенние тестовые дни одноосный трекинг повышал выход монокристаллических панелей примерно на 3–9%, а поликристаллических — примерно на 12%. В более солнечные весенние и летние тесты приросты достигали примерно 10–19% для монокристаллических панелей и 20–21% для поликристаллических. В целом поликристаллическое трекерное поле показало несколько большие процентные приросты, тогда как трекерное монокристаллическое поле обеспечивало наибольшую абсолютную суточную энергию.

Что это означает для будущих солнечных ферм

Для тех, кто думает о будущем чистой энергетики, вывод прост: в жарких, солнечных пустынях, подобных южной Алжирии, установка солнечных панелей на простые одноосные системы слежения восток–запад может заметно увеличить выработку электроэнергии при той же установленной мощности. Исследование показывает, что такие трекеры не только выравнивают мощность в течение дня, но и хорошо отвечают на местные погодные условия, эффективнее используя сильное летнее солнце и охлаждающие ветры. Авторы заключают, что одноосный трекинг — особенно в сочетании с прочными поликристаллическими панелями — представляет собой перспективный вариант для крупных солнечных ферм в саарской климатической зоне, а надёжные модели солнечного излучения могут помочь в проектировании таких систем там, где детальные измерения затруднены.

Цитирование: Abderraouf, B., Lakhdar, L.M., Abdelkader, B. et al. Experimental performance comparison of fixed and single-axis subfields in a large-scale outdoor photovoltaic power plant. Sci Rep 16, 12293 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41570-8

Ключевые слова: слежение за солнцем, фотовольтаическая электростанция, солнечная энергия в пустыне, монокристаллические и поликристаллические панели, моделирование солнечной радиации