Как ориентировать солнечные батареи

Особенности размещения солнечных панелей

При выборе оптимальной ориентации солнечных панелей следует обратить внимание на практическое использование солнечных установок разных типов. На многочисленных сайтах, которые посвящаются солнечной энергии, данный вопрос не достаточно раскрыт, а незнание может привести к понижению эффективности панелей до самого низкого уровня.

Угол попадания солнечных лучей на поверхность панелей достаточно сильно влияет на коэффициент отражения, следовательно, на долю невоспринятой солнечной энергии. Пример: для стекла при отклонении угла падения от перпендикуляра к его поверхности до 30°, коэффициент отражения почти не изменяется и составляет меньше 5%, то есть больше 95% излучения, которое попадает на поверхность, проходит внутрь. Дальше рост отражение более заметный: к 60° доля отраженного излучения увеличивается практически вдвое – до 10% и т.д.

Эффективная площадь панели является более важным фактором. Эффективная площадь равна реальной площади панели, умноженная на синус угла между плоскостью и направлением потока. Поэтому, если панель перпендикулярна потоку, то ее эффективная площадь такая же, как и реальная. Если поток отклонить на 60°, то площадь составляет половину реальной площади. Если же поток параллельный панели, то эффективная площадь приравнивается нулю. В результате видно, что отклонение потока от перпендикуляра к панели не просто увеличивает отражение, но и может снижать эффективную площадь, обуславливая снижение выработки такой энергии.

Наиболее эффективной является постоянная ориентация панели перпендикулярно к потоку солнечных лучей. Для этого потребуется изменение панели в двух плоскостях, потому что направление Солнца зависит от времени суток и сезона. Конечно, данная система технически возможна, но является достаточно сложной, поэтому дорогая и не очень надежная.

Как известно, при углах падения лучей до 30°, коэффициент отражения на поверхности стекла минимальный и не изменяется, в на протяжении всего года угол максимального подъема солнца над горизонтом отклоняется на 23°. Даже при отклонении угла от перпендикуляра на 23° эффективная площадь панели остается достаточно объемной, не меньше 92% от ее реальной площади. Поэтому следует ориентироваться на среднегодовую высоту максимального подъема Солнца, а также ограничиться вращением в одной плоскости без потери эффективности – вокруг полярной оси Земли, скоростью 1 оборот в сутки. Относительно горизонтали угол наклона вращения панели приравнивается к географической широте месторасположения объекта. Например, Москва находится на широте 56°, следовательно, ось вращения панели должна быть наклонена на север на 56° относительно поверхности. Организовать на практике такое вращение достаточно просто, но для вращения без препятствий необходимо достаточно много места. Также нужно организовать скользящее соединение, которое позволит отводить от вращающей панели всю полученную энергию, или же ограничиться гибкими коммуникациями с фиксированным соединением, но при этом необходимо автоматизировать возврат панели на исходное положение в ночное время. Иначе избежать перекручивания и обрыва отводящих коммуникаций энергию не получится. Такие решения достаточно повышают уровень сложности и снижают надежность и эффективность системы. А при возрастании мощности панели усложняются технические проблемы в геометрической прогрессии.

Исходя из вышесказанного, панели индивидуальных солнечных установок в основном монтируются в неподвижном состоянии, это обеспечит покупателю достаточно низкую цену и высокий уровень надежности такой установки. Но и здесь необходимо правильно выбрать угол наклона и размещения панели. Ниже приведен график восприятия солнечной энергии на примере Москвы.

Восприятие солнечной энергии панелями различной ориентации в Москве

Оранжевая линия показывает результаты отслеживания вращение Солнца вокруг полярной оси.
Синяя линия – неподвижная горизонтальная панель.
Зеленая линия – неподвижная вертикальная панель, направленная на юг.
Красная линия – неподвижная панель, направленная на юг под углом 40° к горизонту.

Проанализируем диаграммы инсоляции для разных углов установки панели. Не секрет, что панель, которая вращается вслед за Солнцем, является самой эффективной (оранжевая линия). Но даже в длинные летние дни эффективность такой панели под оптимальным углом (красная линия) составляет всего 30%. Но в такие дни тепла и света достаточно много. А в период с октября по февраль преимущество поворачивающейся панели над неподвижной панелью минимальное и неощутимое. В такое время дополнением наклонной панели служит вертикальная панель, а не горизонтальная (зеленая линия). Таким образом, низкие лучи солнца зимой скользят по горизонтальной панели, и отлично воспринимаются перпендикулярной им вертикальной. Следует, что эффективность перпендикулярной панели в ноябре, декабре и феврале превосходит производство наклонной панели и практически не отличается от эффективности панели, которая вращается. А в марте и октябре продолжительность дня большая, чем зимой, поэтому вращающаяся панель превосходит все неподвижные панели, но их эффективность практически одинаковая. И только в период с апреля по август, когда дни наиболее длинные, горизонтальная панель считается наиболее эффективной, нежели вертикальная. В июне горизонтальная панель превосходит вертикальную. Такой факт очевиден, поскольку летний день в Москве длится более 17 часов, а в полусфере вертикальной панели Солнце может находиться не больше 12 часов, а остальные 5 часов Солнце находится позади неё. При учете угла падения не более 60°, доля отраженного света от поверхности панели стремительно растет, а эффективность площади уменьшается больше чем в 2 раза. Тогда время эффективного восприятия солнечного излучения панелью не более 8 часов, т.е. 50% от общей продолжительности дня. Так можно объяснить факт стабилизации производительности вертикальных панелей на протяжении всего периода длинных дней, которые начинаются в марте, а заканчиваются в сентябре. Рассмотрим январь, когда производительность панелей практически одинаковая. Январь в Москве всегда пасмурный, больше 90% солнечной энергии является рассеянным. Для такого излучения совсем не имеет значения ориентация панели. Но даже несколько солнечных дней в январе способны снизить производительность горизонтальной панели на 20%.

Какой же угол наклона выбрать?

Угол наклона зависит от того, когда Вам необходима солнечная энергия. Если Вы планируете использовать ее в теплое время года, то предпочтительнее выбирать оптимальный угол наклона — перпендикулярный к среднему положению Солнца в период осеннего и весеннего равноденствия. Такой угол на 10-15° меньше географической широты для Москвы и составляет 40-45°. Если такая энергия Вам необходима круглый год, тогда нужно использовать весь максимум в зимние месяцы. Значит необходимо ориентироваться на среднее положение Солнца между осенним и весенним равноденствием, а панели размещать ближе к вертикали, т.е. на 5-15° больше географической широты.

Если согласно архитектурным соображениям невозможно выставить панель под таким углом, значит, придется выбирать между углом наклона не больше 40° или устанавливать панель вертикально. В такой ситуации более предпочтительной является вертикальная установка панели. При такой установке не страшен недобор энергии в длинные солнечные дни, поскольку в этот период Солнца достаточно много, а необходимость производительности энергии обычно не очень велика, как в холодное время года. Конечно же угол наклона панели необходимо ориентировать на юг, но даже небольшое отклонение в 10-15° на восток или запад практически ничего не изменит, поэтому небольшое отклонение допустимо.

Размещение солнечных панелей горизонтально совсем себя не оправдало и не является эффективным. Кроме сильного снижения выработки энергии в осеннее-зимний период, на горизонтальных панелях постоянно скапливается пыль, снег, вода. А согласно инструкции по уходу за панелями, все это нужно убирать только вручную. Если панель выставить под углом больше 60°, то снег практически не задерживается на ней и панель очищается сама, а пыль отлично смывает дождь.

И еще один интересный факт – если стекло поверхности является рельефным, а не гладким, то оно сможет более эффективно улавливать боковой свет, а также передавать его на рабочие элементы солнечной панели. Самым эффективным является волнообразный рельеф, с выступами и впадинами с севера на юг, а для вертикальных панелей – сверху вниз. Рифленое стекло увеличивает выработку неподвижной панели на 5-10%.

Источник

Как правильно располагать солнечные батареи

Модули солнечных батарей размещать следует так, чтобы лицевая сторона была максимально ориентирована на Юг. Допустимые отклонения на запад-восток должны быть не более 20 градусов, иначе эффективность работы панелей резко снизится. Например, при отклонении ориентации солнечных батарей на восток или запад эффективность снижается на 25%. При отклонении на юго-восток или юго-запад снижение генерации будет на 15% от расчетных данных.

Относительно горизонта солнечные модули должны быть расположены под постоянным углом, который рассчитывается от географической широты местности и от того в какое время года мы используем систему. Например, для системы работающей только в летний период (апрель-октябрь), относительно широты местности минус 15 градусов, а для использования в зимний период – широте местности плюс 15 градусов. Например, для широты Воронежа в период декабрь-февраль получим около 70 градусов. При круглогодичном использовании угол наклона будет равен географической широте местности. Но, как правило, зима для Воронежской области является критическим временем года, когда среднесуточная солнечная радиация меньше летнего периода в 3,5-4 раза. Поэтому ориентация именно для зимы иногда является самым оптимальным решением. Например, это единственный вариант для автономных фонарей на солнечных батареях.

Для мобильных установок или портативных солнечных батарей все гораздо проще, т.к. есть возможность в течение дня менять положение относительно солнца. Поэтому, чем точнее на солнце будет смотреть плоскость солнечной батареи, тем эффективнее будет ее работа.

Все расчеты проводят по усредненным данным солнечной инсоляции за последние 22 года наблюдений. При этом возможны годовые флуктуации, иначе говоря, год на год не приходится. Кроме того, нужно учитывать негативное влияние на генерацию энергии тени деревьев и снега, которые смоделировать чрезвычайно сложно. Поэтому категорически противопоказано располагать фотоэлектрические солнечные панели в местах, подверженных затенению от расположенных рядом деревьев, сооружений, зданий и других источников тени.

Источник

Разносторонняя ориентация солнечных батарей

Правила установки солнечных панелей относительно сторон света говорят нам следующее: чтобы собирать максимальное количество энергии, солнечные батареи должны быть обращены на юг. Это действительно так, максимум солнечной энергии придёт с юга в астрономический полдень, и дневная выработка окажется наибольшей. Проблема зачастую состоит в том, что в полдень эта энергия не сильно-то и нужна.

Ориентация солнечных батарей на разные стороны света

Как правило, пик потребления в жилых домах происходит в утреннее и вечернее время. Таким образом, возрастает нагрузка на аккумулятор, который основное количество энергии получает в обед, затем разряжается вечером, ночью и утром. Как известно, аккумуляторы являются самой затратной частью автономной солнечной системы, так как требуют замены по прошествии определенного времени. Солнечные батареи замены не требуют, их срок эксплуатации не менее 25 лет, поэтому иногда бывает целесообразно увеличить мощность солнечных батарей и ориентировать их в восточном и западном направлениях. Данный подход потребует дополнительных начальных вложений, зато снизит стоимость эксплуатации системы за счет более благоприятного режима эксплуатации аккумуляторов. Даже при таком взвешенном подходе сохранятся проблема ночного разряда батареи. Конечно, ночное потребление не велико, но длительность темного времени суток довольно существенна.

Более интересная картина складывается в летний период в северных широтах, когда солнце садится не на долго или вообще не уходит за горизонт. В такой, без сомнения, благоприятной ситуации солнечные батареи можно ориентировать не только на восточное или западное направление, но и на север. Таким образом, можно получить идеальную солнечную систему, правда, в условиях полярного дня.

В данной системе солнечные батареи были размещены на всех шести скатах крыши беседки. На юге или в средней полосе России такое решение было бы смехотворно, однако на широте Архангельска вполне имеет право на жизнь. Конечно, беседка задействована лишь потому, что дом еще только строится, да и вся эта затея носит скорее экспериментальный характер. Тем нее менее, данные о суточной выработке говорят о чрезвычайно низкой степени использования аккумулятора, естественно, в летний период.

Монтаж солнечных панелей в Архангельской области осуществляет официальный представитель нашей компании.

Источник

Трекеры для солнечных панелей: зачем нужны и в чем их преимущества

Солнечные трекеры представляют собой специализированные конструкции, задачей которых является периодическое изменение ориентации фотоэлектрических панелей или зеркал относительно солнца. Угол наклона рабочих поверхностей регулируется вручную или автоматически, что позволяет добиться максимально возможной производительности солнечных систем любого типа.

Общие сведения

В роли улавливателя излучения, закрепленном на трекере, могут выступать:

• гелио модуль, объединяющий батарею полупроводниковых ячеек;
• параболическое зеркало, фокусирующее лучи на приемнике в виде нагревательного бака либо двигателе Стирлинга;
• специальные оптические устройства – чаще всего линзы;
• другие PV, CPV, HCPV и CSP системы.

Задача трекера для солнечных батарей – обеспечить максимально приближенный к перпендикуляру 90° угол падения лучей в любой момент времени.

В комплект стандартного трекера для солнечных панелей входят следующие элементы:

1. Несущая конструкция. Состоит из неподвижной опоры и поворотного устройства, позволяющего осуществлять вращение в одной или двух плоскостях.
2. Система механического позиционирования. Управляет подвижной частью с помощью механизмов, называемых актуаторами.
3. Комплексная системы безопасности. Обеспечивает различные типы защиты – от грозовых разрядов, скачков напряжения в сети, механических перегрузок. В наиболее дорогостоящих моделях имеется собственная мини метеостанция. При угрозе бурь, ураганов и прочих опасных погодных явлений система временно изменяет угол наклона рабочих поверхностей на максимально безопасное положение.
4. Системы управления. Предназначены для удобного управления трекерами, включая удаленный доступ и их техническое обслуживание.
5. Навигационная система. Входит в комплект только перемещаемых устройств с мобильной базой. Позволяет вводить в управляющий контур данные о географическом расположении – долготу, широту, высоту над уровнем моря.

Примечание: уровень сложности комплектации трекеров зависит от поставленных перед системой задач и экономической целесообразности.

Солнечный трекер для одной солнечной панели – требования к конструкции

Для всех типов трекеров существует обязательное требование – высокая прочность и устойчивость. Главная опасность для конструкций подобного рода – сильные ветры, которые могут опрокинуть батареи вместе с опорными мачтами.

Характерными чертами крупных модулей является значительный вес и большая рабочая площадь, а, значит, и парусность. Именно поэтому наиболее продвинутые системы с метеостанциями на борту разворачивают во время бурь солнечные батареи таким образом, чтобы модули располагались к направлению ветра торцом.

Виды трекеров для солнечных батарей

Большой ассортимент существующих моделей обусловлен различными требованиями к функциональности системы в тех или иных условиях. Таковыми являются географические широта и долгота, а также климатические особенности места установки. Влияет на выбор и экономическая эффективность использования трекеров. Для небольших маломощных станций покупка дорогостоящих поворотных установок нецелесообразна.

Солнечные трекеры с одной осью вращения (одноосные)

Вращение рабочих поверхностей в таких системах производится только вокруг одной оси. Управление осуществляется специальным программным обеспечением по алгоритму SPA (Solar Position Algorithm).

В зависимости от выбора приоритетного координатного направления, различают трекеры с вращением вокруг таких осей:

• вертикальной – VSAT;
• горизонтальной – HSAT;
• наклонной – TSAT;
• с ориентацией на сторону света (полярной) – PASAT.

1. Vertical single axis tracker (VSAT) – вертикальные.

Эта группа трекеров используется преимущественно в высоких широтах и заставляет вращаться солнечные батареи с востока на запад. Данное направление поворота требует соблюдать такое расстояние между элементами на опорах, чтобы не допустить при поворотах частичного затенения соседних панелей.

2. Horizontal single axis tracker (HSAT) – горизонтальные.

Горизонтальные солнечные трекеры характерны для низких широт. Вращение ориентировано по линии Север-Юг, что требует строго параллельного относительно друг друга размещения трубок крепления на каждой панели.

3. Tilted single axis tracke(TSAT) – наклонные.

Эта разновидность поворачивает рабочие поверхности по диагонали относительно вертикальной и горизонтальной осей. Особенности движения также требуют недопущения падения тени одних модулей на другие.

4. Polar aligned single axis trackers (PASAT) – полярные.

Ориентиром для трекерной системы является полярная звезда. Для одноосных конструкций эта считается классической и наиболее распространенной. Угол наклона батарей всегда оказывается равным географической широте.

Солнечные трекеры с двумя осями вращения — Dual axis trackers (DAT)

Два уровня регуляции позволяют таким системам постоянно поддерживать оптимальное расположение солнечных панелей относительно солнца. Это максимизирует их производительность, и на крупных солнечных фермах оправдывает финансовые затраты на покупку.

1. Модификация Tip-tilt dual axis tracker (TTDAT).

Основой поворотной системы служит длинная опора с шаровым подшипником. Вертикальная ось — вторичная для такой конструкции, основное движение идет в горизонтальной плоскости. Для двухосных конструкций расстояние между элементами должно быть еще большим, чем для одноосных вариантов.

2. Модификация Azimuth-altitude dual axis tracker (AADAT).

В отличие от предыдущего типа конструкций, AADAT используют не один крупный подшипник на опоре, а кольцо с платформой.

Преимуществом такого решения является большая устойчивость и возможность размещения на одной платформе модуля с достаточно большим количеством панелей. Недостаток конструкции – в необходимости учитывать размеры кольца, что требует большей площади участка.

Механизмы ориентирования солнечных батарей

Подвижные элементы трекеров могут управляться вручную либо автоматически. Второй вариант предполагает наличие в системе работающих от электродвигателя одного или двух актуаторов.

Поддержку нужного направления на солнце (может выдаваться программно в виде Рис.1 алгоритма солнечной позиции – SPA) эти устройства осуществляют следующим образом.

Способ №1. Использование датчиков с чувствительными фотоэлементами.

При оптимальной ориентации поток излучения на датчики одинаков. По мере перемещения солнца определенные фотоэлементы начинают получать меньше света, на что тут же реагирует система управления и посылает сигнал на актуаторы для совершения коррекции.

Достоинство такой системы – в полной автоматизации и расчете азимутного и зенитного углов в режиме реального времени. Недостаток – в полной потере работоспособности при отсутствии достаточного освещения, во время сильного дождя, снега или загрязнения поверхности датчика.

Способ №2. Ручное управление актуаторами.

Как и прямая корректировка угла наклона панелей своими руками, управление актуаторами с помощью тумблеров позволяет изменять ориентацию вручную, но гораздо быстрее. Обычно ручная коррекция производится нечасто, 2-4 раза в год, чего вполне достаточно для относительно малобюджетных СЭС.

Возможно и полуавтоматическое управление трекерами, для чего используется запрограммированный таймер на логическом контроллере, а не сложное ПО на защищенном компьютере.

Правила выбора трекеров для солнечных панелей

Трекерную систему определенного вида выбирают исходя из таких факторов, как климатические условия данной местности, размеры модулей, площадь участка и т.д.

Оптимальным выбором является:

• HSAT с горизонтальной осью – для систем в низких широтах. Они сравнительно недорогие, проще в эксплуатации и обеспечивают максимальную производительность во второй половине суток, когда потребление наибольшее.
• VSAT с вертикальной осью – в высоких широтах, где более важным является следование за низко стоящим солнцем с востока на запад.
• двухосные TTDAT и AADAT – в масштабных высокопроизводительных СЭС, где даже незначительное повышение КПД одной панели за счет оптимального направления на солнце дает серьезный рост общей генерации системы.

Источник