Солнечные батареи для моделирования

ТОП-5 программ для моделирования солнечных электростанций

Это ПО поможет вам спроектировать и взять под эффективное управление как маленькую домашнюю ферму из PV-панелей, так и крупный коммерческий PV-проект.

Существует свыше 100 платных и бесплатных программ, предназначенных для расчета производительности, минимизации рисков и максимизации доходности солнечных электростанций на этапе их планирования. Мы рассмотрели достоинства и недостатки самых популярных из них.

1. SolarGis pvPlanner

Год выпуска: 2010

Разработчик: SolarGis, Словакия

Стоимость: начальный пакет – бесплатный, базовый пакет – от €1800/год, профессиональный пакет – от €3600/год

SolarGis pvPlanner – это простое и удобное веб-приложение для планирования и оптимизации фотоэлектрических систем. Его основное достоинство помимо простоты использования – точные данные с 19 спутников, на основе которых производятся расчеты. Независимые исследования показывали, что анализ эффективности PV-панелей у SolarGis оказывался точнее, чем у конкурентов.

Интерфейс pvPlanner позволяет пользователю найти на карте желаемую локацию, указать параметры PV-системы (мощность, тип модулей, вид инвертора, систему монтажа, азимут, угол наклона) и запустить симуляцию. Математические модели SolarGis вычислят, каким окажется месячный или годовой выход электроэнергии, коэффициент производительности, параметры солнечного излучения и температура.

Этот PV-планировщик имеет следующие ограничения:

• Не подходит для финансового анализа
• Охватывает не все регионы мира
• Производит меньше технических расчетов, чем конкурирующие приложения
• Интернет необходим для запуска симуляций

2. RETScreen

Год выпуска: 1998

Разработчик: правительственный исследовательский центр CanmetENERGY, Канада

Стоимость: бесплатная в режиме просмотра, от $869/год

Пакет программ RETScreen был разработан по заказу правительства Канады. Он доступен на 34 языках, в том числе на русском и украинском, и его используют свыше 500 тысяч человек почти во всех странах мира. RETScreen используют для оценки выработки электроэнергии, а также для расчета затрат, сокращений выбросов, финансовой жизнеспособности и рисков.

В RETScreen интегрированы обширные базы данных, в том числе глобальная база данных климатических условий, полученная с 6 700 наземных станций и спутников аэрокосмического агентства NASA. ПО также включает в себя множество мультимедийных обучающих материалов.

Поскольку RETScreen позволяет оценить эффективность электростанций разных видов в любой точке мира, он отлично подходит для исследовательской деятельности. Этот программный продукт используют 1100 университетов и колледжей, и полученные с его помощью данные лежат в основе множества учебных пособий и научных работ.

• Не позволяет сохранять, распечатывать и передавать файлы в бесплатном режиме
• Не поддерживает высокоточные вычисления

3. System Advisor Model (SAM)

Год выпуска: 2007

Разработчик: National Renewable Energy Laboratory (NREL), США

Стоимость: бесплатная

SAM – сложная система моделирования, рассчитанная на профессиональных разработчиков проектов, инженеров и исследователей. Она рассчитывает эффективность не только PV-панелей, но и других чистых электростанций – ветровых, геотермальных, а также сжигающих биомассу и использующих энергию морских приливов и отливов.

SAM может смоделировать производительность гибридной электростанции и показать ее суточный почасовой график генерирования электроэнергии. Также SAM делает финансовое моделирование. Система может рассчитать себестоимость производства электроэнергии с учетом проектных затрат, ставок кредитования, уровня инфляции, и стоимости аренды земли и недвижимости.

• Менее интуитивно-понятный, чем у конкурентов, интерфейс

4. PV*SOL

Год выпуска: 1999

Разработчик: Valentine Energy Software, Германия

Стоимость: 30-дневный бесплатный период, до €1295 плюс НДС.

Этот инструмент с уникальной 3D-визуализацией позволяет точно воссоздать местность, спроектировать на ней все типы современных PV-систем и смоделировать их работу. PV*SOL показывает детальное и реалистичное трехмерное изображение от одной до 10 000 фотоэлектрических панелей. Это позволяет получить лучшее представление о солнечной электростанции и учесть падающие на нее тени окружающих объектов.

PV*SOL предлагается в четырех версиях, для каждой из которых предусмотрен 30-дневный бесплатный период. Эти программы может оказаться наилучшим вариантом для тех, кому нужно подобрать оптимальное размещение PV-панелей на крышах со сложным профилем. В них также можно провести анализ финансовых затрат на электро- и теплоснабжение зданий.

• Анализ производительности не такой полный как у конкурирующих программ
• Сложность построения 3D-моделей

5. PVsyst

Год выпуска: 1992

Разработчик: Институт наук об окружающей среде при Университете Женевы, Швейцария

Стоимость: 30-дневный бесплатный период, $682 в год

Программный пакет Pvsyst предназначен для использования архитекторами, инженерами-разработчиками и исследователями. Также это ПО удобно для получения знаний о работе подключенных фотоэлектрических систем. Оно содержит большую библиотеку данных по различным фотоэлектрическим системам и устройствам и детальное англоязычное руководство по проектированию солнечных электростанций.

Pvsyst предлагает инструментарий для построения 3D-моделей для расчетов потерь от затенений и использует десятки различных вариантов симуляций процессов, протекающих в системах. Он позволяет с высокой точностью определить негативные факторы, приводящие к потерям электроэнергии и тепла, а также найти пути минимизации потерь.

• Моделирует только PV-системы и не может анализировать гибридные электростанции

Любой из пяти вышеперечисленных инструментов поможет смоделировать работу солнечной электростанции и оценить ее эффективность. У каждого из них свои сильные стороны. Веб-сервис SolarGis pvPlanner может стать лучшим выбором для тех, кому не хочется тратить время и усилия на установку ПО и изучение излишне замысловатых настроек. PV*SOL, возможно, станет наиболее подходящим решением для тех, кому важно сделать красивую 3D-модель для презентации проекта перед инвесторами. System Advisor Model подойдет для разработки сложных гибридных систем с несколькими источниками возобновляемой энергии. RETScreen наверняка понравится исследователям, которым нужно оценивать эффективность генерации чистой энергии в любой точке мира. А PVsyst, вероятно, придется по душе тем, кто хочет улучшить свои знания о современных солнечных панелях.

Поскольку у каждого из рассмотренных пяти программных пакетов для моделирования PV-систем есть не менее 30 дней бесплатного пользования, то ничто не мешает опробовать все пять и выбрать наиболее подходящий для себя.

Источник

Создан универсальный метод моделирования параметров солнечных батарей

Коллектив российских и канадских ученых разработал математическую модель, описывающую поглощение света и его превращения в электрический. Она позволяет снизить потери энергии солнечных батарей и увеличить эффективность их работы. Расчеты можно применять к фотоэлементам со светопоглощающими слоями из разных материалов. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

Поддержанные грантом Российского научного фонда ученые из Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН совместно с коллегами из Университета Куинс в Кингстоне смоделировали оптические параметры перовскитного и полимерного фотоактивных слоев, используя метод матриц переноса. Этот математический прием позволяет рассчитать распространение светового потока в фотоактивном материале и оценить толщину, при которой устанавливается оптимальное соотношение между концентрациями поглощаемых фотонов и «рождаемых» после этого электронов и дырок в единицу времени.

Основной элемент солнечной батареи — слой, поглощающий свет, расположенный между двумя пластинами электродов. Фотоны поглощаются молекулами среднего слоя, а их энергия способствует «выбиванию» электронов из атомов материала. При этом на месте «удара» возникают так называемые дырки — носители положительного заряда. За счет движения электронов и дырок к противоположно заряженным электродам и возникает электрический ток. Эффективность солнечной батареи зависит от природы и толщины фотоактивного слоя. Среди поглощающих свет материалов для солнечных элементов нового поколения наиболее перспективны кристаллы перовскита и пленки из полимерной смеси. Ранее ученые предпринимали попытки моделировать процессы внутри солнечных батарей, но для каждого материала в отдельности.

Для проверки своих расчетов ученые сконструировали солнечные батареи на основе перовскитных и полимерных материалов и измерили их характеристики. Результаты эксперимента полностью подтвердили предсказания математической модели для обоих типов батарей. «Результаты наших исследований показывают, что моделирование с применением метода матриц переноса позволяет рассчитывать оптимальные параметры солнечных батарей независимо от природы фотоактивного слоя. Мы полагаем, что предложенная модель поможет снизить затраты времени и материалов при разработке солнечных элементов и фотодиодов с применением новых фотоактивных соединений. Исходя из полученных данных мы планируем создать компьютерную программу для расчета параметров, тестирования и диагностики фотоэлементов на основе неизученных материалов», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ, главный научный сотрудник ИФХЭ РАН Алексей Тамеев.

Источник

3D-печать солнечных панелей – революция в возобновляемой энергетике

3D-печать все более активно используется в энергетической промышленности. Место аддитивного производства в отрасли возобновляемой энергетики представляет большой интерес. Взгляните на ситуацию с изменением климата: сегодня получение энергии из экологически чистых источников является одной из важнейших задач.

Объемы ископаемого топлива стремительно сокращаются, и поэтому мы видим все больше электромобилей, ветровых установок и солнечных батарей. Однако большинство из них далеки от совершенства, а производство по-прежнему требует больших затрат. К счастью, исследователи уже работают над солнечными батареями, которые можно печатать на 3D-принтерах, чтобы максимально эффективно использовать солнце – неисчерпаемый источник энергии.

Вы знали, что 3D-печать – превосходный метод изготовления солнечных батарей? Исследователи утверждают, что аддитивное производство поможет сократить стоимость производства солнечных батарей на 50%, а батареи, напечатанные на 3D-принтерах, – эффективнее солнечных батарей, изготовленных традиционными методами. В этой статье рассказано об эффективном использовании 3D-печати в сфере возобновляемой энергии, а точнее, в гелиоэнергетике. Кроме того, здесь рассмотрены методы 3D-печати фотоэлектрических элементов для солнечных батарей, а также исследования, посвященные данным методам.

Почему 3D-печать – эффективное решение для энергетики

Аддитивное производство используется во множестве отраслей и может быть крайне эффективно для изготовления источников энергии. Цифровое производство – превосходный метод реализации проектов в энергетической отрасли: качество изделий растет, а затраты на производство сокращаются. Перед производителями возобновляемых источников энергии стоит задача сократить расходы на производство. Давайте выясним, почему производителям систем с питанием от солнечной энергии или других экологически чистых источников следует обратить внимание на 3D-печать.

3D-печать оптимизирует процесс разработки продукта

3D-принтер – отличный инструмент для прототипирования: благодаря ему растет производительность и сокращаются расходы. Используя ПО для 3D-моделирования, модели можно менять до тех пор, пока не будет получена идеальная конструкция. Перед изготовлением систем и деталей можно выполнить столько итераций, сколько потребуется. Благодаря скорости и точности 3D-печати упрощается и быстрое прототипирование.

Значительное сокращение расходов

Пытаетесь сократить расходы на прототипы и производство? Обратите внимание на 3D-печать. При ее использовании расходуется только необходимое количество материала, а выполнять итерации на 3D-принтере дешевле, чем методом литья под давлением, ведь вам не потребуется изготавливать новую пресс-форму и повторять весь процесс.

3D-принтеры повышают эффективность производства

Цифровые технологии подходят не только для прототипирования, но и для производства. У этих методов много преимуществ: например, на 3D-принтерах можно очень быстро изготавливать малые партии деталей. Кроме того, используя аддитивное производство, можно полностью управлять процессом и заказывать только необходимое количество деталей. Перечисленные особенности делают аддитивные технологии оптимальным решением для реализации всего проекта или изготовления отдельных деталей.

Аддитивные технологии – превосходный инструмент для научных исследований

Далее в статье мы поговорим о том, почему 3D-печать подходит для проверки ваших идей и работы с новыми материалами. Исследователи продолжают находить новые сферы применения 3D-печати: к примеру, она используется для производства экологически чистых энергетических устройств – таких как солнечные панели.

Солнечные батареи: 3D-печать в возобновляемой энергетике

Что такое солнечные батареи?

Это блоки, преобразовывающие солнечную энергию в тепло или электричество. Они выполнены из фотоэлектрических элементов, в которых происходит ряд физических и химических явлений. Как правило, фотоэлектрические элементы делают из кристаллического кремния, однако сейчас активно разрабатываются новые материалы (недавний пример – технология тонкопленочных солнечных элементов). Качество и эффективность солнечных батарей, изготавливаемых традиционными способами, оставляют желать лучшего. Именно поэтому специалисты, изучающие аддитивные технологии, экспериментируют с целью создать высококачественные солнечные панели на 3D-принтерах.

Аддитивное производство поможет сократить стоимость производства солнечных батарей на 50%

3D-печать – наилучшее решение для изготовления солнечных батарей

Одна из основных трудностей, возникающая в ходе разработки и производства возобновляемых источников энергии, – высокие затраты. Именно по этой причине такие источники доступны не всем. Мы видели, как 3D-печать подходит для реализации новых проектов, и производство солнечных батарей – отличный пример.

Прежде всего, для производства эффективных солнечных панелей высокого качества требуется множество исследований и разработок. Раньше фотоэлектрические элементы выполнялись из дорогих материалов. При разработке новых солнечных батарей и использовании материалов с новыми техническими свойствами требуется провести много испытаний и изготовить много прототипов. Подобные проекты должны быть тщательно продуманы, а для их демонстрации команде, инвесторам и будущим клиентам потребуются модели высокого качества. И здесь на помощь приходит 3D-печать, поскольку она позволит создать высококачественные прототипы. Кроме того, вы сможете проводить столько итераций, сколько потребуется. Аддитивные технологии подходят и для производства, однако вам потребуется найти 3D-принтеры, способные печатать из соответствующих материалов. Например, солнечные батареи изготавливаются из материала, который поглощает солнечный свет.

В теории, 3D-печать подходит для изготовления экологически чистых источников энергии по более низкой стоимости. Но так ли это на практике?

Такие системы действительно выгодно печатать на 3D-принтере?

Использование напечатанных солнечных батарей сокращает расходы на 50%

Исследователи Массачусетского технологического института утверждают, что аддитивное производство солнечных батарей помогает сократить расходы на 50%. Для изготовления таких установок не требуются дорогие материалы (например, стекло, поликристаллический кремний и индий). Очевидно, что реализация таких проектов возможна благодаря печати новых материалов на 3D-принтере. Например, не так давно стало известно о том, что производство фотоэлектрических элементов из синтетического перовскита дешевле.

Такие системы можно внедрять в развивающихся странах

Солнечные батареи можно изготавливать на 3D-принтерах, и они дешевле стеклянных панелей, изготовленных традиционными методами. Напечатанные солнечные батареи имеют меньший вес, поскольку они изготавливаются из сверхтонких полосок. Транспортировка таких батарей вызывает меньше трудностей. Эта технология становится доступнее, а значит, возобновляемые источники энергии можно внедрять практически везде и транспортировать их даже в развивающиеся страны, где существуют проблемы с электроснабжением.

Солнечные батареи, напечатанные на 3D-принтере, эффективнее на 20%

Солнечные батареи, изготовленные на 3D-принтере, на 20% эффективнее батарей, созданных традиционными способами. Это обусловлено появлением новых методов, материалов и возможностей проектирования, которые стали возможны благодаря 3D-печати. Солнечной энергетике были нужны инновации, а самое главное – сокращение стоимости. Похоже, 3D-печать совершит революцию в этой отрасли.

Аддитивное производство солнечных батарей: 5 успешных проектов

Новая технология 3D-печати фотоэлектрических элементов уже существует, и она может в корне поменять отрасль возобновляемой энергетики. Ниже приведены примеры того, как компании используют 3D-печать для производства солнечных батарей и как исследователи разрабатывают наиболее оптимальные варианты производства высококачественных фотоэлектрических элементов.

В австралийской организации CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) на промышленных 3D-принтерах изготавливаются рулоны фотоэлектрических элементов. Исследователи производят листы фотоэлектрических элементов формата A3, которые подходят для любых поверхностей (например, окон и зданий). Батареи из таких элементов функциональны и эффективны.

На сегодняшний день это крупнейшие фотоэлектрические элементы. Они выполняются из эластичного легкого пластика. Исследователи разработали чернила с фотоэлектрическими свойствами, которые наносятся на полоску из эластичного пластика. Процесс производства включает в себя покрытие полосок с помощью гравированного цилиндра, нанесение материала с использованием щелевой экструзионной головки, а также ракельную печать. Использование аддитивной технологии помогло изготовить систему высокой точности.

Австралийские специалисты используют солнечную энергию максимально эффективно, однако они печатают не только фотоэлектрические элементы. Например, они могут напечатать целое поле солнечных батарей, ведь в Австралии самая высокая плотность солнечного излучения в мире.

Этот проект реализован Австралийской научно-исследовательской программой по солнечной энергии (ASTRI) и его ведущим партнером – CSIRO. Устройство собирает концентрированное солнечное излучение в виде тепловой энергии. Гелиостаты в буквальном смысле заполняют целое поле, концентрируя излучение Солнца в 50–1000 раз больше его обычной мощности. Преобразованная солнечная энергия хранится в вышке-приемнике.

Некоторые клиенты французской компании Sculpteo работают с солнечной энергией и используют 3D-печать. Например, основанная в 2014 году компания Simusolar налаживает работу солнечных электростанций в сельской местности Танзании, разрабатывая и внедряя компактные экологичные решения, которые помогают людям в повседневной жизни. Клиенты компании – фермеры, рыбаки и сельские жители, которым требуется оборудование, работающее от солнечного электричества. Simusolar использует 3D-печать, поскольку есть потребность во множестве кастомизированных деталей.

Цель компании Kyung-In Synthetic – снабдить солнечным электричеством отдаленные районы. Для этого было принято решение печатать солнечные батареи. В рамках проекта возобновляемые источники энергии стали доступны более чем одному миллиону людей. Напечатанные на 3D-принтере солнечные батареи выполнены из перовскита – минерала, в состав которого входит титанат кальция. Свойства фотоэлектрических элементов, изготовленных из перовскита, улучшаются с каждым годом, а значит, системы из таких элементов могут работать без снижения эффективности несколько лет. У этой технологии большое будущее.

Инженеры Национальных лабораторий Сандия (штат Нью-Мексико, США) работали над приемниками солнечного излучения и доказали, что они на 20% эффективнее солнечных батарей, изготовленных традиционными методами. Батареи были перенастроены и стали поглощать больше солнечного света. Благодаря особой конструкции они могут поглощать свет в различных масштабах.

Аддитивное производство позволяет инженерам создавать солнечные установки со сложной геометрией и значительно упрощает процесс проектирования. Исследователи создали панели жалюзийного типа, поглощающие больше света. Данная система работает без потери энергии. Сперва свет попадает на приемник, а затем поглощается.

Разумеется, для изготовления таких систем необходимо разрабатывать новые материалы и технологии. И если вам кажется, что производство солнечных батарей – сложный процесс, эти примеры демонстрируют, как 3D-печать упрощает его.

Будущее 3D-печати в области солнечной энергетики

3D-печать в этой сфере может быстро стать одной из ключевых технологий. Например, она делает возможной массовую кастомизацию деталей и систем. Люди смогут заказывать солнечные батареи нужных форм и размеров, изготовленные на 3D-принтере по индивидуальным требованиям.

Разработка нового материала для 3D-печати может сильно изменить отрасль солнечной энергетики. Более того, высокоэффективные элементы низкой стоимости подойдут для изготовления устройств с питанием от солнечной энергии, и, возможно, электричество станет доступно во всем мире, даже в самых отдаленных районах.

Энергетика и 3D-печать становятся отличными партнерами. Вероятно, в будущем они помогут разработать множество экологически чистых систем, использование которых поможет бороться с изменением климата.

Автор: Люси Гаже. Перевод с английского. Оригинал материала на сайте Sculpteo
Фото в заставке: Littlegate Publishing

Статья опубликована 05.11.2019 , обновлена 08.04.2021

Источник