Оптимальный вариант размещения солнечной панели для повышения ее энергетических показателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимальный вариант размещения солнечной панели для повышения ее энергетических показателей

Адилов Ж.М., Еремин Д.И.,

Понятов Ю.А., Кемешева Д.Г.

Аннотация

солнце солнечный панель подвижной

В статье рассматриваются основные угловые параметры, определяющие положение Солнца относительно Земли. Были выявлены и рассмотрены 3 варианта размещения подвижной и неподвижных солнечных панелей. Рассмотрение каждого варианта осуществлялось на основание мощностных показателей солнечной панели в течении одного календарного года. На основании полученных результатов был определен наиболее оптимальный вариант установки расположения солнечной панели относительно положения Солнца.

Ключевые слова: Солнечная панель. Солнечная энергия. Неподвижная солнечная панель. Следящая за Солнцем панель. Гелиоэлектростанция малой мощности

Основная часть

Одним из важнейших способов повышения эффективности солнечных батарей является оптимизация положения панелей или работа в непрерывном режиме слежения за Солнцем. Количество энергии вырабатываемой солнечными панелями зависит от целого ряда факторов. К факторам, которые относительно легко можно менять относят угол наклона и направление установки.

Чтобы поглощать максимальное количество солнечной энергии плоскость солнечной панели должна быть всегда перпендикулярна солнечным лучам. Однако Солнце светит на Земную поверхность в зависимости от времени суток и времени года всегда под различным углом. Чтобы производительность солнечной панели была максимальной необходимо определить угол наклона и направление панели в каждый момент времени. Для оценки оптимального ориентирования панелей учитывается вращение Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси, а также изменение расстояния от Солнца. Для определения положения солнечной батареи необходимо учитывать основные угловые параметры:

· Географические координаты места установки (широта, ц, долгота, л);

· Часовой угол, ;

· Угол солнечного склонения, ;

· Угол возвышения, H;

· Азимут, A.

Географические координаты определяют положение точки на земной поверхности. Широта -- угол ц между местным направлением зенита и плоскостью экватора, отсчитываемый от 0° до 90° в обе стороны от экватора. Долгота -- угол л между плоскостью меридиана, проходящего через данную точку, и плоскостью начального нулевого меридиана, от которого ведётся отсчёт долготы.

Рисунок 1 Схема движения Солнца по небосклону

Часовой угол (щ) переводит местное солнечное время в количество градусов, которое Солнце проходит по небу. По определению, часовой угол равен нулю в полдень. Так как Земля поворачивается на 15°за один час, то за каждый час после полудня Солнце проходит 15°. До полудня угол Солнца отрицательный, после полудня - положительный [1].

(1)

Двенадцать дня местного солнечного времени (LST) наступает в момент верхней кульминации Солнца. Местное время (LT), как правило, варьируется от LST из-за эксцентриситета орбиты Земли, и из-за человеческих корректировок, таких как часовых поясов и перехода на летнее время [1].

Временной поправочный коэффициент (в минутах) рассчитывается для учета изменения местного солнечного времени в одной временной зоне при изменении долготы в пределах этой зоны, а также учитывает уравнение времени [1]:

Множитель, равный четырем минутам учитывает то, что Земля поворачивается на 1°каждые 4 минуты.

Местный стандартный временной меридиан (LSTM) - это меридиан, используемый для обозначения определенной временной зоны и для установления среднего времени по Гринвичу.

LSTM рассчитывается с помощью формулы

,

где - разница между местным временем и средним временем по Гринвичу в часах.

Разность между средним временем и истинным солнечным временем в один и тот же момент называется уравнением времени з [2]:

Так как среднее экваториальное солнце проходит через меридиан то раньше, то позже истинного Солнца, разность их часовых углов (уравнение времени) может быть, как положительной, так и отрицательной величиной.

Уравнение времени и его изменение в течение года представлено на рисунке 2 сплошной кривой. Эта кривая является суммой двух синусоид с годичным и полугодичным периодами. Синусоида с годичным периодом (штриховая синяя кривая) дает разность между истинным и средним временем, обусловленную неравномерным движением Солнца по эклиптике. Эта часть уравнения времени называется уравнением центра или уравнением от эксцентриситета. Синусоида с полугодичным периодом (штриховая красная кривая) представляет разность времен, вызванную наклоном эклиптики к небесному экватору, и называется уравнением от наклона эклиптики.

Рисунок 2 График уравнения времени: 1-уравнение времени, 2-уравнение центра, 3-уравнение от наклона эклиптики

Уравнение времени обращается в нуль около 15 апреля, 14 июня, 1 сентября и 24 декабря и четыре раза в году принимает экстремальные значения; из них наиболее значительные около 11 февраля (з = +14^m) и 2 ноября (з = -16^m). Уравнение времени можно решить для любого момента времени. В некоторых англоязычных изданиях можно встретить определение уравнения времени как разницу между истинным солнечным временем и средним солнечным временем [1]. Данное определение формально более точно, но не влияет на результат, так как для любой конкретной точки на Земле эта разница одинакова.

Уравнение времени в минутах можно аппроксимировать членами ряда Фурье как сумму двух синусоидальных кривых с периодами, соответственно, на один год и шесть месяцев [1]:

,

где

в градусах и d - количество дней с начала года.

Склонение Солнца - это угол между экватором и воображаемой линией, соединяющей центры Земли и Солнца. Значение склонения Солнца, которое обозначается как д, претерпевает сезонные изменения. Это происходит из-за того, что Земля движется по эллиптической орбите вокруг Солнца, а также из-за наклона ее собственной оси вращения. Земля наклонена на 23.45° и угол склонения принимает значения от 23.45° до - 23.45°. Склонение равно 0 в дни равноденствий (22 марта и 22 сентября), положительно, когда в северном полушарии лето и отрицательно, когда там зима. Максимума, равного 23.45° склонение достигает 22 июня (летнее солнцестояние в северном полушарии) и минимума, -23.45°, 22 декабря (зимнее солнцестояние в северном полушарии). Склонение можно посчитать по формуле [1]:

. (2)

Угол возвышения - это высота Солнца на небе измеренная в градусах от горизонтального положения. Угол возвышения изменяется в течение дня. Он также зависит от широты местоположения и времени года.

Угол возвышения можно найти по следующей формуле [1]:

(3)

Зенитный угол - это угол между Солнцем и вертикалью [1]:

(4)

Чтобы рассчитать время восхода и захода Солнца нужно положить угол возвышения равным нулю, тогда уравнение примет вид [1]:

(5)

6)

Полярный угол (азимут) можно рассчитать, зная параметры, введенные ранее [1]:

(7)

Приведенное выше уравнение справедливо только для полярных углов в течении солнечного утра. Так как в (7) уравнении используется косинус, угол азимута всегда будет положителен, и должен быть интерпретирован как угол меньше чем 180 градусов, когда часовой угол, щ, будет отрицателен (до полудня) и угол, больше, чем 180 градусов, когда часовой угол, щ, положителен (после полудня):

Азимут = , для LST <12 или < 0

Азимут = 360° - , для LST > 12 или >0

Плотность потока энергии, падающей на модуль, зависит не только от плотности потока самого солнечного излучения, но также и от угла между модулем и Солнцем. В случае, когда поглощающая поверхность и солнечное излучение перпендикулярны друг другу плотность потока излучения, падающего на панель, максимальна. При изменении угла плотность потока получаемого солнечного излучения уменьшается. Составляющая излучения, параллельная наклонному модулю, отражается. На рисунке 3 показано, как рассчитать излучение, падающее на наклонную (S_m) поверхность либо при условии данной плотности потока на горизонтальной поверхности (S_h), либо на перпендикулярной (S_i).

Рисунок 3 Солнечные излучения, падающие на солнечную панель

Уравнения, связывающие S_m, S_h и S_i:

, (8)

, (9)

где H- угол возвышения, в - угол наклона модуля

Для модуля с произвольной ориентацией и углом наклона уравнение становится немного более сложным [1]:

, (10)

где - угол возвышения солнца, - полярный угол солнца, - угол наклона модуля. Если модуль просто лежит на земле, то в = 0°, если поставлен вертикально, то в = 90°. ш - полярный угол, на который повернут модуль. Абсолютное большинство модулей ориентированы в сторону экватора. Модуль в южном полушарии будет обращен на север с ш = 0°, а модуль в северном полушарии обычно прямо на юг с ш = 180°. S_m и S_i - поверхностные плотности излучения модуля и падающего света, при чем S_i - это только прямая составляющая излучения (не учитывает рассеянное).

Рассмотрено 3 варианта установки солнечной панели:

1) Неподвижная горизонтальная панель (в=0, ш=0);

2) Неподвижная панель, с углом наклона равным географической широте места установки (в=ц, ш=0);

3) Следящая за Солнцем панель (в=90-H, ш=A)

Рисунок 4 График зависимости мощности солнечных панелей различной ориентации, в период 21 июля - 24 июля в г.Алматы

Рисунок 5 График зависимости мощности солнечных панелей различной ориентации, в период 11 января - 14 января в г.Алматы

В разное время года количество мощности, вырабатываемой солнечными панелями получаются разными. Однако поворачивающаяся за Солнцем панель всегда более эффективна неподвижных панелей. Производительность панелей в зимнее время уменьшается, эффективность следящих панелей в зимнее и летнее время отличается на 40%. По итогам проведенных расчетов мощность солнечных панелей в летнее время на неподвижной горизонтальной панели и неподвижной панели, с углом наклона равным широте места установки, составляет 57,26% и 92,09% соответственно от энергии, вырабатываемой следящей панелью. Зимой энергия неподвижной горизонтальной панели составляет лишь 28,4% энергии следящей за Солнцем панели, а преимущество следящей панели над наклоненной на угол равным широте места установки неподвижной панели не большая.

Таблица 1

Мощность солнечных панелей различной ориентацией за каждый месяц, кВт

Таблица 2

Мощность солнечных панелей различной ориентацией за каждый месяц, %

Анализ энергетических показателей различных типов установок и потерь мощности позволили определить, что наиболее эффективной является установка подвижной панели, следящей за Солнцем.

Но использование солнечных панелей с фиксированным наклонным углом равным широте места установки является менее эффективным в целом за год всего на 10%, зато позволяет избежать дополнительных затрат на систему слежения. При расчетах экономической эффективности солнечных электростанций необходимо определять, что дешевле - увеличивать площадь панели исходя из минимальных значений, достигающих 84,4 % от следящей, либо ставить систему слежения. Для получения энергии из неподвижной панели, наклоненный на угол широты местности, равной энергии со следящей за Солнцем панели необходимо увеличить площадь стационарной панели на 15,6%.

Список литературы

1. Christiana Honsberg, Stuart Bowden, «PVCDROM» http://pveducation.org/pvcdrom/properties-of-sunlight/solar-time.

2 Э.В.Кононович, В.И.Мороз, «Общий курс астрономии», Учебное пособие под ред. В. В. Иванова. Изд. 2-е, испр., М.: Едиториал УРСС, 2004. 544 с.

Размещено на Allbest.ru