Ориентация солнечных панелей угол наклона

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

Угол наклона и ориентация солнечных батарей для максимальной производительности

Главная » Статьи » Солнечные панели

12232 0 Опубликовано 1 ноября 2018

Солнечная панель сделана из фотоэлектрических элементов. Принцип работы фотоэлектрического модуля – преобразование энергии солнца в электрическую энергию.

Чем больше энергии несет падающий на фотоэлектрическую ячейку луч солнца, тем больше электричества она вырабатывает. Электроэнергия, которую можно снять с контактов модуля, во многом зависит от ориентации солнечной батареи.

Для повышенного получения КПД от солнечных панелей необходимо правильно подбирать угол наклона, по горизонту, по азимуту и прочим параметрам

Конечно, хотелось бы получать максимальную возможную электрическую мощность, которую способна выработать панель. К сожалению, не на все параметры, определяющие выработку электричества, возможно повлиять.

Солнечный свет освещает поверхность земли неравномерно, что объясняется шарообразной формой Земли. На экваторе энергия, передаваемая солнечным лучом, будет гораздо выше, чем, например, на полюсах. Это не означает, конечно, что нельзя использовать солнечные элементы, находясь в широтах, удаленных от экватора. Просто нужно внимательно отнестись к способу их ориентации в пространстве.

Что важно учесть при монтаже солнечной панели

Чтобы «собрать» максимальное количество солнечной энергии, нужно выполнить следующие условия:

• обеспечить максимально возможную освещенность фотоэлементов, без малейшего их затемнения окружающими объектами, например, деревьями или конструкциями зданий;
• ориентировать плоскость фотоэлектрических ячеек строго перпендикулярно солнечным лучам.

Если с первым пунктом обычно не возникает особых проблем, так как типовая установка панели предполагает монтаж на крыше зданий, то точно выполнить второй пункт оказывается не слишком просто.

От правильно выбранного угла наклона солнечных панелей зависит КПД и эффективность получения электроэнергии, так как в разное время года и суток оно неодинаковое

Угол падения солнечных лучей меняется как в течение дня, так и при смене времен года. Значит, идеальная солнечная панель должна тоже постоянно менять свой угол наклона, поворачиваясь к солнцу. Другой вопрос, насколько сильно изменится производительность реальной панели при некоторых отличиях от идеальной, вызванных конструктивными ограничениями установки.

На что влияет угол наклона батареи

О принципах и важности правильного размещения солнечных батарей, а также об угле наклона мы уже сказали. Но на что может повлиять неправильная установка панели и ее углы в разное время года по отношению к солнечным лучам? Во-первых, что самое главное, неправильный наклон панели и небольшое попадание света даст плохую производительность тока, в результате чего вы не сможете покрыть все свои электрические нужды, даже если приобрели мощную батарею или сразу несколько. Во-вторых, снижается КПД самого устройства, то есть меньший эффект в сравнении с панелями, которые работают на полную.

При правильном угле установки модуля в зимний период повышается естественная очистка снега на крыше.

Если подробнее, то перпендикулярное размещение панели позволяет на 99% избежать скопления снега. А при снижении углов наклона с 53 до 14 градусов вы сможете заметить явную разницу, где снег остается на панелях, а где самостоятельно очищается. То есть, если оптимально к солнечному свету размещать панели и соблюдать постоянно угол наклона, можно получить повышение выработки энергии до 6%. Но, как показывает практика, многие владельцы солнечных станций все равно занимаются самостоятельной очисткой снега после его выпадения.

Способы установки

Фотоэлектрические модули, исходя из способов их использования можно разделить, во-первых, на два основных типа:

• стационарные, постоянной установки;
• мобильные, передвигаемые по мере необходимости с места на место.

И хотя использование мобильных модулей набирает обороты, их все шире используют в полевых условиях туристы, геологи, их размещают на крышах трейлеров и передвижных домов, самым распространенным является первый вариант — стационарный. Такие элементы могут быть установлены:

• на крыше зданий и сооружений, сюда же относятся козырьки и навесы;
• на стенах домов;
• на земле.

Каждый и способов имеет свои преимущества и недостатки, например, модуль, стоящий на земле, дешевле в установке и более прост в обслуживании, но зато отнимает полезную площадь участка, а также может затеняться находящимися рядом объектами. Крышные же сооружения сложней смонтировать и обслужить, зато риск повреждения панели гораздо меньше.

Варианты конструкций

На практике, видов расположения солнечной панели всего два:

При неподвижной установке фотоэлектрического модуля обеспечить следование модуля за солнцем практически невозможно. Самый простой пример такой установки – монтаж солнечных панелей в плоскости крыши. Чуть более продвинутый вариант, позволяющий поймать больше солнечной энергии – установка на кронштейны, обеспечивающие заранее рассчитанный оптимальный угол. Иногда такое устройство позволяет вручную менять угол наклона фотоэлементов два раз в год – зимой и летом.

Подвижные устройства для монтажа модулей называются трекеры. Это платформы, которые могут вращаться в одной или двух плоскостях, следуя за солнцем. Такой способ установки максимально близок к идеальному, однако имеет свои подводные камни: трекеры дороги в установке и эксплуатации и потребляют электрическую энергию. Вполне возможно, что в случае применения в частном доме, повышение производительности солнечной батареи будет в стоимостном выражении меньше, чем стоимость содержания трекера.

Возможные варианты

Зачастую возможности менять наклон батарей дважды в год просто нет. В этом случае, если планируется круглогодичное использование системы, лучше всего установить два набора солнечных батарей. Один будет работать зимой, второй – летом.

Чтобы иметь возможность корректировать угол наклона, стоит монтировать гелиопанели не на крыше, а на отдельных рамах-стойках. Фирмы, выпускающие солнечные батареи, производят также и специальные рамы для их крепления. Особенность этих конструкций – возможность без труда изменить наклон панели, что позволяет повысить производительность системы фактически на 20%.

Практические исследования

Теоретические рассуждения хороши, когда они подтверждены практикой. В Канаде провели масштабное исследование зависимости выработки электроэнергии солнечными батареями в зависимости от углов наклона.

Батарея расположена в местности, широта которой близка к широте Москвы, и имеет похожий климат. Результаты исследований очень интересны, и могут с успехом быть применены в наших условиях, так как кроме всего прочего, исследовалось влияние снега на выработку электроэнергии. Исходные данные опытных батарей были следующими:

• батареи ничем не затенялись;
• ориентация фотоэлементов строго южная;
• шесть пар солнечных элементов были установлены на разные углы;
• минимальный угол установки солнечных батарей был 14 градусов, максимальный – 90 градусов;
• промежуточные углы были близки к популярным углам наклона крыш;
• исследовался также угол 53 градуса, равный широте местности;
• для изучения влияния снега на одной из панелей с одинаковым углом наклона снег удалялся, а на другой нет.

Самый удивительный результат исследований заключается в том, что чистка панелей от снега дала прибавку в выработке энергии не более, чем 5,31%, и это на самых производительных панелях.

Исследования угла наклона солнечных панелей показали, что:

• самый производительный угол наклон летом (в период с 01.04 по 31.09) – 27 градусов;
• самый производительный угол зимой (в период с 01.10 по 31.03) — 53 градуса;
• самый производительный угол по году — 53 градуса.

Оптимальный угол наклона

Положение солнца в летний и зимней период отличается, поэтому специалисты советуют в теплое время устанавливать панели под углом 90 градусов для перпендикулярного попадания света, а в холодный период – под наклоном. Но если у вас нет возможности изменять положение солнечных панелей, тогда следует определиться со средним углом наклона. Для правильного угла установки солнечных панелей предалагаем выбрать крепления для солнечных панелей из каталога на нашем сайте.

Летом

Ниже представлена таблица, где отражены оптимальные значения угла наклона для каждого из месяцев в теплый период.

Месяц	Угол наклона, градусы
Апрель	45
Май	18
Июнь	18
Июль	18
Август	27
Сентябрь	53

Конечно, очень сложно каждый месяц самостоятельно заниматься изменением угла наклона солнечной панели, но на основе периодических опытов специалисты зафиксировали, что если на все эти теплые месяцы установить батарею в наклоне 27 градусов, то она будет отдавать наибольшую суммарную производительность, чем под другими углами. Данное правило действует, если все 6 месяцев панель будет неподвижна.

Угол наклона солнечных батарей

Зимой

Для зимы также установлены свои показатели, которые оптимальны для размещения модулей в наклоне. Данные представлены в таблице.

Месяц	Угол наклона, градусы
Октябрь	53
Ноябрь	90
Декабрь	90
Январь	90
Февраль	53
Март	53

Если вы установите панель с погрешностью в 5-10% или солнечные лучи будут менять свою траекторию с указанным значением отклонения, это особо не скажется на общей производительности и выработки энергии.

Согласно исследованиям, в зимний период оптимальной величиной стал угол 53 градуса. Если установить панель под таким наклоном на весь зимний период, то батарея будет вырабатывать наибольшую суммарную энергию, опять-таки, в случае если регулярно происходит очистка снега (при сильных осадках) и нет возможности каждый месяц менять угол наклона. Интенсивность и общая эффективность также зависят от значения солнечной радиации, высоты солнца и как быстро тает снег с панелей.

Фиксированный угол наклона в течение года

Теперь осталось определиться с углом наклона, если у вас нет возможности его изменять каждый месяц, и вы хотите установить солнечные панели на весь год.

Месяц	Угол наклона, градусы
Октябрь	53
Ноябрь	90
Декабрь	90
Январь	90
Февраль	53
Март	53

Здесь оптимальным значением стал угол наклона 53 градуса, при котором были зафиксированы наивысшие показатели генерации энергии. Но, конечно, угол наклона панелей необходимо менять хотя бы 2 раза в год. Ориентировочными датами считаются дни весеннего и осеннего равноденствия. При этом, даже если вы будете соблюдать все правила размещения панелей, нужно понимать, что остается небольшой процент погрешности в расчете на погодные условия, местные особенности, а также частичное затемнение модулей, что не всегда возможно проконтролировать.
Чтобы избавить себя от таких сложностей, лучше всего обеспечить солнечные батареи трекером. Он будет в автоматическом режиме с соблюдением всех требований (широты, региона, месяца) регулировать угол наклона. С его помощью достигается максимальная мощность, которой нельзя добиться при самостоятельном изменении положения панелей. Однако нужно помнить про высокую стоимость таких установок, которая будет оправдана только для больших объектов.

Рекомендации по установке

В том случае, если скат крыши дома ориентирован на юг и имеет угол наклона, близкий к широте местности, самый простой способ – установка фотоэлементов непосредственно на плоскость крыши. Это стоит недорого, просто в обслуживании, и потери энергии будут незначительными.

Если параметры крыши далеки от идеальных, или планируется установка солнечных батарей на землю, можно применить такой способ расчета лучшего угла наклона:

1. Для широт, находящихся в диапазоне до 25 градусов, значение широты нужно умножить на коэффициент 0,87. Это будет лучший угол по году, если не планируется его менять.
2. Для широт, находящихся в диапазоне от 25 до 50 градусов, значение широты нужно умножить на коэффициент 0,76 и добавить 3,1 градуса.

Если конструкция для ориентации солнечных панелей предполагает изменение угла наклона вручную, можно применить такой способ:

• весной и осенью выставляют угол наклона солнечной панели, равный широте местности;
• зимой к широте прибавляем 10-15 градусов;
• летом от широты отнимается 10-15 градусов.

Следует понимать, что максимальное количество энергии обеспечивает все же трекер. Но выработка установок без трекера, ориентированных правильно (на юг, с соблюдением угла наклона по широте) составляют 70-75 % от выработки установок с трекером. Конечно, для установок большой мощности применение трекеров оправдано. А вот солнечная панель для личных потребностей может быть смонтирована простым способом, так как применение трекера не окупит себя.

Испытательная солнечная батарея

Солнечная батарея разработана и установлена в Институте технологий Северной Альберты (NAIT) с целью получения достоверной информации об оптимальном угле установки солнечных батарей для проектировщиков солнечных электростанций и для всех, кто устанавливает солнечные батареи. Исследовалось влияние угла установки солнечных панелей и количества снега на солнечных панелях на производительность солнечной электростанции.
Испытательный стенд установлен на крыше NAIT и состоит из 6 пар солнечных панелей. Основной кампус NAIT находится по адресу 11762 106 Street NW, Edmonton, Alberta.

Характеристики эталонной солнечной батареи:

• Солнечная батарея имеет 100% доступ к солнечному свету (нет деревьев и зданий, затеняющих солнечную батарею)
• Модули ориентированы точно на юг и установлены на широте 53°
• Каждая пара модулей установлена под различным углом от 14° до 90°
• Снег удалялся с западной (левой) стороны каждый раз после окончания снегопада
• Фотографии сделаны непосредственно перед и сразу же после очистки от снега
• Микроинверторы записывали состояние работы каждые 5 минут. Записывались параметры: время, напряжение переменного тока, напряжение постоянного тока, постоянный ток, температура инвертора и выработка мощности инвертором.

Четыре угла наклона были выбраны потому, что они являются популярными углами наклона скатов крыш (14°, 18°, 27°, 45°). Дополнительно были выбраны углы 53° (широта местности Эдмонтона) и 90° (вертикальная установка на стене).

Конструкция испытательной солнечной батареи.

Начиная с 2012 года расчистка солнечных батарей от снега проводилась в среднем 24 раза за зимний сезон. Расчищались панели на западной стороне. Наиболее удобным инструментом для расчистки оказался 2-метровый автомобильный скребок-щетка. Телескопическая рукоятка щетки исключает необходимость в лестницах и повышает безопасность при проведении работ.

Источник