Sisteme fotovoltaice cu tracker solar. Avantaje și dezavantaje

În ultimele decenii, energia solară a devenit una dintre cele mai importante surse regenerabile de energie utilizate la nivel mondial. Dezvoltarea accelerată a tehnologiilor fotovoltaice este determinată de necesitatea reducerii emisiilor de gaze cu efect de seră, creșterea cererii de energie electrică și reducerea dependenței de combustibilii fosili. În acest context, eficiența sistemelor fotovoltaice reprezintă un obiectiv esențial pentru specialiștii din domeniul energetic.

Unul dintre factorii principali care influențează performanța unui sistem fotovoltaic este orientarea panourilor față de radiația solară. În sistemele clasice fixe, panourile sunt montate într-o poziție stabilă, cu un anumit unghi de înclinare, calculat pentru condițiile geografice ale zonei respective. Deși această metodă este simplă și fiabilă, poziția Soarelui se modifică permanent pe parcursul zilei și al anotimpurilor, ceea ce înseamnă că panourile fixe nu pot capta permanent cantitatea maximă de energie solară disponibilă. Pentru rezolvarea acestei probleme au fost dezvoltate sistemele fotovoltaice cu tracker solar. Aceste sisteme utilizează mecanisme automate care permit orientarea permanentă a panourilor către poziția optimă a Soarelui, crescând astfel cantitatea de energie captată și eficiența instalației.

Sistemele cu tracker solar sunt utilizate în special în centrale fotovoltaice industriale; proiecte energetice de mare putere; instalații autonome; sisteme hibride; aplicații unde este necesară eficiența energetică ridicată. În multe state dezvoltate, utilizarea trackerelor solare a devenit o soluție standard pentru centralele fotovoltaice moderne, deoarece creșterea producției de energie poate compensa investițiile suplimentare necesare pentru instalarea sistemului de orientare automată.

4.10.1. Principiul de funcționare a sistemelor cu tracker solar

Sistemele fotovoltaice cu tracker solar sunt proiectate pentru a orienta automat panourile fotovoltaice către poziția optimă a Soarelui, astfel încât acestea să capteze permanent cantitatea maximă de radiație solară. Principiul de funcționare a acestor sisteme se bazează pe urmărirea mișcării aparente a Soarelui pe parcursul zilei și pe ajustarea continuă a poziției panourilor fotovoltaice.

În sistemele fotovoltaice fixe, panourile sunt montate într-o poziție statică, iar eficiența lor depinde de unghiul de înclinare și orientare ales la instalare. Totuși, poziția Soarelui se schimbă permanent de la răsărit până la apus și diferă în funcție de anotimp. Din această cauză, razele solare nu lovesc întotdeauna perpendicular suprafața panoului, ceea ce reduce cantitatea de energie captată. Trackerul solar elimină această problemă prin modificarea automată a poziției panourilor astfel încât acestea să fie orientate cât mai perpendicular pe direcția radiației solare. Cu cât razele Soarelui cad mai direct pe suprafața panoului, cu atât eficiența conversiei energiei solare în energie electrică este mai mare.

Funcționarea sistemului cu tracker solar implică mai multe componente, care lucrează împreună într-un mod automatizat. Primul pas în funcționarea trackerului este identificarea poziției Soarelui. Acest lucru se poate realiza prin două metode principale:

Utilizarea senzorilor de lumină – senzorii fotosensibili detectează intensitatea luminii solare din diferite direcții. Dacă lumina cade mai puternic pe un anumit senzor, sistemul determină direcția în care trebuie rotite panourile pentru a obține orientarea optimă. Senzorii utilizați pot fi: fotorezistențe; fotodiode; senzori optici specializați. Această metodă este simplă și utilizată frecvent în sistemele de dimensiuni mici și medii.

Calculul astronomic al poziției Soarelui – în sistemele moderne, poziția Soarelui este calculată automat cu ajutorul unor algoritmi matematici. Sistemul utilizează: coordonatele geografice; data calendaristică; ora locală; informații astronomice. Pe baza acestor date, controlerul determină cu precizie poziția Soarelui și comandă orientarea panourilor fără a depinde direct de senzorii de lumină. Această metodă oferă precizie ridicată; funcționare stabilă; performanță bună și în condiții de cer parțial noros. Informațiile obținute de la senzori sau calculate automat sunt transmise către controlerul electronic al trackerului. Controlerul reprezintă „creierul” sistemului și are rolul de: a analiza informațiile primite; a calcula poziția optimă a panourilor; a transmite comenzile către motoarele electrice; a monitoriza funcționarea sistemului. În sistemele moderne sunt utilizate microcontrolere; automate programabile (PLC); sisteme inteligente cu software dedicat. Controlerul poate include și funcții suplimentare, precum: protecție la vânt puternic; limitarea mișcărilor mecanice; monitorizare online; optimizarea consumului propriu. După procesarea informațiilor, controlerul transmite semnale către motoarele electrice, care modifică poziția panourilor fotovoltaice. Mișcarea poate fi realizată prin servomotoare; actuatoare electrice; motoare pas cu pas; sisteme hidraulice sau electromecanice. Motoarele acționează structura mobilă pe care sunt montate panourile. În funcție de tipul trackerului, mișcarea poate avea loc pe o singură axă; pe două axe. Trackerul modifică permanent poziția panourilor astfel încât razele solare să cadă cât mai perpendicular pe suprafața acestora. În timpul dimineții, panourile sunt orientate spre est. Pe măsură ce Soarele se deplasează, trackerul rotește gradual panourile spre vest. În sistemele cu două axe, panourile sunt ajustate și pe verticală pentru a compensa modificările sezoniere ale poziției Soarelui. Cu trackerul cu o axă, panourile se deplasează doar pe direcția est–vest, urmărind mișcarea zilnică a Soarelui. Avantajele sunt: construcție simplă; cost redus; întreținere mai ușoară.

Trackerele cu două axe permit mișcarea orizontală; verticală. Astfel, panourile urmăresc atât mișcarea zilnică, cât și variațiile sezoniere ale Soarelui. Aceste sisteme oferă eficiență maximă; captare optimă a radiației; producție mai mare de energie.

4.10.2. Componentele principale ale sistemelor cu tracker solar

Sistemele fotovoltaice cu tracker solar reprezintă instalații moderne care permit orientarea automată a panourilor fotovoltaice după poziția Soarelui pentru maximizarea captării radiației solare și creșterea producției de energie electrică. Aceste sisteme sunt mai complexe decât instalațiile fotovoltaice fixe, deoarece includ atât componente electrice, cât și mecanice, electronice și de automatizare. Funcționarea eficientă și sigură a unui sistem cu tracker solar depinde de colaborarea corectă dintre toate componentele sale. Fiecare element are un rol bine determinat în procesul de orientare automată, monitorizare și protecție a instalației.

În general, un sistem fotovoltaic cu tracker solar este alcătuit din panouri fotovoltaice; structură mobilă; motoare electrice; senzori solari; controler electronic; sisteme de protecție; cabluri și conexiuni electrice; sisteme de monitorizare și comunicație.

Panourile fotovoltaice reprezintă componenta principală a sistemului și au rolul de a transforma energia solară în energie electrică prin efectul fotovoltaic. Acestea sunt alcătuite din celule fotovoltaice, realizate în special din siliciu semiconductor. Atunci când radiația solară lovește suprafața celulelor, electronii sunt puși în mișcare și se generează curent electric continuu (DC). În sistemele cu tracker solar, panourile sunt montate pe structuri mobile, care permit modificarea poziției acestora în funcție de traiectoria Soarelui. Panourile utilizate în aceste sisteme trebuie să fie rezistente la variații de temperatură; protejate împotriva umidității; rezistente la radiații UV; capabile să suporte solicitări mecanice. Cele mai frecvent utilizate tipuri de panouri sunt: monocristaline; policristaline; bifaciale. Panourile bifaciale sunt utilizate tot mai des în sistemele cu tracker, deoarece pot capta radiația solară atât pe partea frontală, cât și pe partea posterioară, crescând randamentul energetic.

Structura mobilă este componenta mecanică ce susține panourile fotovoltaice și permite orientarea acestora după poziția Soarelui. Aceasta reprezintă una dintre cele mai importante componente ale sistemului, deoarece trebuie să asigure stabilitatea panourilor; rezistența la vânt; rezistența la coroziune; funcționarea sigură în condiții meteorologice variate. Structura este realizată, de obicei, din oțel galvanizat; aluminiu; aliaje rezistente la coroziune. În funcție de tipul trackerului, structura poate permite mișcare pe o singură axă; mișcare pe două axe. Structurile trebuie proiectate astfel încât să suporte greutatea panourilor; încărcările produse de vânt; zăpada; vibrațiile mecanice; mișcările repetitive ale sistemului. În instalațiile moderne sunt utilizate structuri optimizate aerodinamic pentru reducerea efectului vântului și creșterea stabilității.

Motoarele electrice sunt responsabile pentru mișcarea trackerului și modificarea poziției panourilor fotovoltaice. Acestea primesc comenzi de la controlerul electronic și acționează mecanismele de rotație ale structurii mobile. În sistemele cu tracker solar se utilizează motoare pas cu pas; servomotoare; actuatoare electrice; motoare cu reductor. Motoarele pas cu pas permit poziționarea precisă a panourilor prin deplasări controlate. Servomotoarele asigură control foarte precis și sunt utilizate în sistemele moderne automatizate. Actuatoarele electrice transformă mișcarea de rotație în mișcare liniară și sunt utilizate frecvent pentru înclinarea panourilor. Motoarele trebuie să fie eficiente energetic; rezistente la condiții externe; protejate împotriva prafului și umezelii; capabile să funcționeze în regim continuu.

Senzorii solari detectează poziția și intensitatea radiației solare și transmit informațiile către sistemul de control. Rolul lor este foarte important, deoarece permit orientarea automată a panourilor către direcția cu intensitate maximă a luminii. Se utilizează senzori de lumină; fotorezistențe; fotodiode; senzori de radiație solară; senzori de poziție. În sistemele moderne, senzorii sunt combinați cu algoritmi astronomici; sisteme GPS; senzori meteorologici. Aceștia permit poziționarea precisă a panourilor; optimizarea producției de energie; protecția sistemului în condiții extreme.

Controlerul electronic reprezintă „creierul” sistemului cu tracker solar. Acesta coordonează funcționarea tuturor componentelor și controlează motoarele; poziționarea panourilor; senzorii; sistemele de protecție; monitorizarea parametrilor. Controlerul primește informații de la senzori și calculează poziția optimă a panourilor.

Sistemele de protecție au rolul de a preveni deteriorarea instalației și de a determina funcționarea sigură a sistemului fotovoltaic. Acestea protejează instalația împotriva supratensiunilor; supracurenților; vântului puternic; blocajelor mecanice; defectelor electrice; descărcărilor atmosferice. Printre cele mai frecvente dispozitive de protecție se numără siguranțele fuzibile; întrerupătoarele automate; descărcătoarele de supratensiune; senzorii de vânt; limitatoarele mecanice; sistemele de oprire automată. În condiții de furtună sau vânt puternic, trackerul poate deplasa automat panourile într-o poziție de siguranță pentru reducerea solicitărilor mecanice.

Cablurile și conexiunile electrice. Cablurile transportă energia electrică produsă de panouri și asigură conexiunea dintre toate componentele sistemului. În sistemele cu tracker solar sunt utilizate cabluri solare rezistente la UV; conectoare MC4; conductori flexibili pentru părțile mobile. Cablurile trebuie să reziste la temperaturi ridicate; radiații solare; umiditate; mișcările repetitive ale structurii mobile.

Sistemele de monitorizare și comunicație. Sistemele moderne cu tracker solar includ platforme digitale pentru monitorizarea performanței instalației. Acestea permit afișarea parametrilor în timp real; detectarea defectelor; controlul la distanță; analiza producției de energie. Monitorizarea poate fi realizată prin aplicații mobile; platforme cloud; sisteme SCADA; comunicație GSM sau Ethernet.

4.10.3. Avantajele sistemelor fotovoltaice cu tracker solar

Sistemele fotovoltaice cu tracker solar reprezintă una dintre cele mai eficiente tehnologii moderne utilizate pentru creșterea producției de energie electrică din surse regenerabile. Prin orientarea automată a panourilor după poziția Soarelui, aceste sisteme permit captarea unei cantități mai mari de radiație solară comparativ cu instalațiile fixe clasice. Utilizarea trackerelor solare este tot mai răspândită în centralele fotovoltaice moderne, deoarece oferă multiple avantaje tehnice și economice. În special în proiectele energetice de mare putere, creșterea producției de energie poate avea un impact semnificativ asupra eficienței investiției și asupra costului energiei electrice produse. Principalul avantaj al sistemelor cu tracker solar este creșterea cantității de energie electrică produsă. În sistemele fotovoltaice fixe, panourile sunt montate într-o poziție statică și pot capta eficient radiația solară doar într-o anumită perioadă a zilei. În schimb, trackerele solare urmăresc permanent poziția Soarelui și mențin panourile orientate către direcția cu intensitate maximă a radiației. Astfel, panourile absorb mai eficient energia solară pe întreaga durată a zilei. Creșterea producției poate varia în funcție de tipul trackerului; condițiile climatice; poziția geografică; tipul panourilor utilizate. În general, trackerele cu o axă pot crește producția cu 15-30%; trackerele cu două axe pot spori producția cu 30-40%. Această creștere este foarte importantă în centralele fotovoltaice mari, unde chiar și o mică îmbunătățire a randamentului poate genera beneficii economice considerabile.

Sistemele cu tracker utilizează mai eficient suprafața disponibilă pentru instalare. Prin orientarea optimă a panourilor, se obține o producție mai mare de energie pe aceeași suprafață comparativ cu instalațiile fixe. Acest avantaj este foarte important în centralele industriale; proiectele comerciale; zonele cu spațiu limitat; instalațiile unde eficiența energetică este prioritară. Trackerele permit valorificarea mai eficientă a radiației solare în diferite momente ale zilei și în diferite anotimpuri.

Un alt avantaj important este distribuția mai uniformă a producției de energie. În sistemele fixe, producția maximă se obține în jurul prânzului solar, iar dimineața și seara randamentul este redus, deoarece razele solare cad sub un unghi nefavorabil. În cazul trackerelor solare, panourile urmăresc deplasarea Soarelui și pot produce energie mai eficient dimineața; seara; în perioadele cu unghi solar redus. Această caracteristică contribuie la reducerea variațiilor de producție; alimentarea mai stabilă a consumatorilor; utilizarea mai eficientă a energiei produse. În centralele fotovoltaice mari, creșterea producției de energie poate determina reducerea costului energiei electrice pe termen lung. Deși investiția inițială este mai mare, cantitatea suplimentară de energie produsă poate compensa costurile suplimentare ale sistemului de orientare. În proiectele industriale, acest aspect contribuie la reducerea perioadei de amortizare; creșterea profitabilității; optimizarea randamentului investiției.

4.10.4. Dezavantajele sistemelor cu tracker solar

Deși oferă numeroase avantaje, sistemele cu tracker solar prezintă și unele dezavantaje, care trebuie luate în considerare în procesul de proiectare și exploatare. Sistemele cu tracker sunt mai scumpe decât instalațiile fixe, deoarece necesită mecanisme mobile; motoare electrice; senzori; automatizări; structuri mecanice complexe. Costurile suplimentare sunt generate atât de echipamentele utilizate, cât și de montajul și întreținerea acestora. În special, trackerele cu două axe sunt considerabil mai costisitoare decât sistemele fixe. Spre deosebire de sistemele fixe, trackerele conțin componente mecanice aflate permanent în mișcare. Aceste componente sunt supuse uzurii mecanice; vibrațiilor; influențelor climatice; solicitărilor repetitive. Din acest motiv, sistemele necesită lubrifiere; verificări periodice; reglaje mecanice; înlocuirea pieselor defecte; verificarea senzorilor și a motoarelor.

Trackerele sunt mai sensibile la condițiile meteorologice severe comparativ cu sistemele fixe. Vânturile puternice, furtunile și zăpada pot afecta structura mecanică; motoarele; sistemele de orientare. Pentru prevenirea deteriorărilor, sistemele moderne utilizează senzori de vânt; poziționare automată de siguranță; protecții mecanice; sisteme de blocare automată. Motoarele electrice și sistemele electronice consumă energie pentru funcționarea trackerului. Acest consum este relativ redus comparativ cu energia suplimentară produsă, însă trebuie luat în considerare în analiza eficienței energetice a instalației.

4.10.5. Utilizarea trackerelor în Republica Moldova

Republica Moldova dispune de condiții favorabile pentru dezvoltarea energiei solare datorită nivelului relativ ridicat al radiației solare anuale și numărului mare de zile însorite pe parcursul anului. În contextul creșterii prețurilor la energie, al necesității reducerii dependenței energetice și al procesului de tranziție către surse regenerabile, energia fotovoltaică devine tot mai importantă pentru sistemul energetic național. În ultimii ani, Republica Moldova a început să dezvolte tot mai activ sectorul energiei regenerabile, în special prin instalarea sistemelor fotovoltaice conectate la rețea. Majoritatea instalațiilor existente utilizează panouri fixe, însă dezvoltarea centralelor fotovoltaice industriale poate conduce în viitor la utilizarea mai largă a sistemelor cu tracker solar.

Trackerele solare reprezintă o soluție modernă pentru creșterea eficienței producerii energiei electrice, deoarece permit orientarea automată a panourilor după poziția Soarelui. Astfel, panourile pot capta mai eficient radiația solară pe întreaga durată a zilei, iar producția de energie electrică poate crește semnificativ comparativ cu instalațiile fixe. În condițiile climatice ale Republicii Moldova, utilizarea trackerelor poate aduce beneficii importante, deoarece radiația solară anuală este favorabilă producerii energiei fotovoltaice; perioadele lungi cu soare permit valorificarea eficientă a sistemelor mobile; creșterea producției poate compensa costurile suplimentare ale trackerelor.

Republica Moldova depinde, într-o măsură semnificativă, de importurile de energie electrică și resurse energetice. Din acest motiv, dezvoltarea surselor regenerabile reprezintă o prioritate strategică pentru: creșterea securității energetice; reducerea dependenței externe; diversificarea surselor de energie; reducerea impactului asupra mediului. Trackerele solare pot contribui la atingerea acestor obiective prin creșterea eficienței centralelor fotovoltaice și producerea unei cantități mai mari de energie electrică din aceeași suprafață instalată. Utilizarea acestor sisteme poate contribui la creșterea eficienței energetice; reducerea consumului de combustibili fosili; diminuarea emisiilor de CO₂; modernizarea infrastructurii energetice; integrarea tehnologiilor inteligente în sectorul energetic.

În Republica Moldova, trackerele solare pot fi utilizate în mai multe domenii importante. Centralele fotovoltaice de mare putere reprezintă principalul domeniu unde utilizarea trackerelor poate fi eficientă din punct de vedere economic. În aceste instalații, suprafețele disponibile sunt mari; creșterea producției de energie are impact economic important; investițiile în tehnologii moderne sunt mai ușor de justificat. Republica Moldova are un sector agricol dezvoltat, iar energia solară poate fi utilizată pentru irigații; alimentarea fermelor; sere agricole; sisteme de pompare; depozite frigorifice. Sistemele cu tracker solar pot fi avantajoase în zonele agricole, deoarece terenurile sunt extinse; consumul de energie este ridicat; eficiența energetică este importantă pentru reducerea costurilor. Companiile industriale și comerciale pot utiliza sisteme fotovoltaice cu tracker pentru reducerea cheltuielilor energetice; creșterea independenței energetice; utilizarea energiei verzi. Aceste sisteme pot fi instalate în fabrici; centre logistice; complexuri comerciale; unități industriale.

În viitor, dezvoltarea sectorului energiei regenerabile în Republica Moldova poate conduce la extinderea utilizării sistemelor cu tracker solar. Factorii care pot favoriza această dezvoltare sunt: creșterea investițiilor în energie verde; susținerea proiectelor regenerabile; dezvoltarea centralelor fotovoltaice industriale; modernizarea rețelelor electrice; integrarea tehnologiilor Smart Grid.