На главную

Статьи, публикации, архив номеров  

«     2018     2017  |   2016  |   2015  |   2014  |   2013  |   2012  |   2011  |   2010  |   2009  |   2008  |   »
«     Январь  |   Февраль  |   Март  |   Апрель  |   Май  |   Июнь  |   Июль  |   Август  |   Сентябрь  |   Октябрь  |   Ноябрь  |   Декабрь     »

Наука для практики

01.11.2014 Условия эффективной работы фотоэлектрических панелей. Опыт г. Львова

 

Условия эффективной работы фотоэлектрических панелей
Опыт г. Львова

 

Быстрый рост цен на электрическую энергию (ЭЭ), полученную традиционным путем, обусловливает большой интерес у потребителей к применению возобновляемых источников энергии, в частности ветра и солнца.

Преобразование солнечной энергии в другие виды – тепловую и электрическую – очень распространено в области возобновляемой энергетики [1]. Использование энергии солнца для обеспечения энергетических потребностей также позволяет снизить эффект глобального потепления и уменьшить загрязненность атмосферы [2]. Именно поэтому все больше стран инвестируют в развитие солнечной энергетики.

Важна реализация как крупномасштабных (например, солнечная электростанция Иванпа Солар общей мощностью 392 МВт), так и малых проектов (частные дома, индивидуальные объекты).

 

Based on the existing electronic hourly meteorological database of incoming solar radiation in the city of Lviv in 2013, a number of ways of photovoltaic panel orientation relative to the sun is studied. For the following ways of positional tracking of photovoltaic panels the values of total generating electricity from the photovoltaic panel in size of 1 m2 per year are compared: 1) panel is fixed, facing south and is set at the optimum angle of inclination to the horizon; 2) panel is facing south, and the angle of inclination to the horizon varies seasonally; 3) azimuthally tracking with the optimal value of the angle of inclination to the horizon; 4) similar to option 3, but with a seasonally changing angle of inclination to the horizon; 5) two-coordinate tracking system. The optimal values of the angles of inclination to the horizon were received for all choices.

In order to receive the maximum of electric energy at the output from the photovoltaic panel in the city of Lviv we recommend to use the azimuthal sun tracking systems.

 

Украина также реализует проекты «зеленой энергетики» и вводит новые технологии по использованию «дармовой» энергии. В последнее время в стране повышается интерес к использованию фотоэлектрических панелей (ФЭП) для получения ЭЭ. Величина мощности на выходе ФЭП зависит от величины притока суммарной солнечной радиации, места размещения и ориентации панели, угла ее наклона, температуры окружающей среды, времени года, времени суток и ряда других факторов [3]. В данном исследовании для оценки энергоэффективности работы ФЭП используется сформированная нами база почасовых метеорологических данных для Львова за 2013 г., а именно продолжительность солнечного сияния в интервалах реального времени и температура окружающей среды [3]. Эти данные позволяют рассчитать количество поступления ЭЭ от 1 м2 ФЭП. На их основе нами были проведены сравнительные исследования ряда способов ориентирования и управления положением ФЭП относительно солнца. Для всех вариантов получены оптимальные для Львова значения углов наклона панели к горизонту. Ниже приведены пять способов управления положением ФЭП, которые мы рассматриваем в этой работе:

1. Панель неподвижна, обращена на юг и установлена под оптимальным углом наклона к горизонту.

2. Панель обращена на юг, а угол наклона к горизонту меняется посезонно.

3. Азимутальное слежение (АС) с почасовым шагом при оптимальном значении угла наклона панели к горизонту.

4. Аналогично предыдущему варианту, но с посезонным изменением угла наклона панели к горизонту.

5. Двухкоординатное слежение панели за солнцем.

Очень важен правильный выбор стратегии управления положением ФЭП, поскольку от этого зависит количество преобразованной солнечной энергии, которая поступит к потребителю. Известно, что место восхода и захода солнца, а значит, и его высота изо дня в день меняются, поэтому только выбором оптимального угла наклона ФЭП к горизонту и его посезонным изменением максимум ЭЭ на выходе не получить. Кроме того, годовое движение солнца по эклиптике в каждом из сезонов разное. Так, в некоторых случаях для получения максимума ЭЭ на выходе панели применяется двухкоординатное ориентирование ФЭП по солнцу. Такой метод управления положением ФЭП сложнее и дороже в реализации, но позволяет повысить генерирование ЭЭ до 35 % по сравнению с неподвижной панелью [4].

Как следует из рис. 1, автоматическое ориентирование ФЭП может быть однокоординатным и двухкоординатным. При однокоординатном ориентировании (рис. 1а) возможно изменение положения ФЭП по оси «запад – восток», но угол наклона панели к горизонту остается фиксированным. При двухкоординатном ориентировании (рис. 1б) возможны изменения угла наклона панели к горизонту и положения ФЭП по оси «запад – восток» и оси «север – юг».

 

 

Методика расчета падающей солнечной радиации на произвольно ориентированную в пространстве плоскость

Для оценки энергоэффективности определенного способа ориентировки ФЭП по солнцу рассчитаем приток суммарной солнечной радиации S (Вт/м2) на ориентированную произвольным образом поверхность согласно выражению:

S = Sп + Sр, (1)

где Sп и Sр – притоки прямой и рассеянной солнечной радиации соответственно (рис. 2).

 

 

Во многих случаях к суммарной солнечной радиации причисляют и отраженную солнечную радиацию, но ее процентное соотношение незначительно, поэтому в данном исследовании мы ее не учитывали.

Согласно [5], приток прямой солнечной радиации на ориентированную произвольным образом поверхность равен:

Sп = Sмcosq, (2)

где Sм – приток прямой солнечной радиации у земной поверхности на перпендикулярную к солнечным лучам плоскость.

Поскольку величина прямой солнечной радиации зависит от толщины атмосферы, через которую проходят лучи, Sм согласно [6] можно рассчитывать по эмпирическому выражению:

Sм = 1 085,46 – 194,10 (1 / sinh) +

+ 11,36 (1 / sin2h), (3)

где 1 / sinh – относительная воздушная масса (принимает наименьшее значение, когда солнце в зените);

h – угол высоты солнца, который определяет его высоту над горизонтом в данный момент времени, то есть угол между направлением на солнце с точки наблюдения и горизонтальной плоскостью.

Косинус угла падения q рассчитывается по следующему соотношению [7]:

сosq = sinjcosasind – cosjsinacosgsind + sinasingsinwcosd + cosjcosacoswcosd + sinjsinacosgcoswcosd, (4)

где j – географическая широта местности, град.;

d – склонение солнца для данного дня года, град.;

g – азимут (отклонение от меридиана проекции на горизонтальную плоскость нормали, проведенной к ФЭП; отклонение к западу от направления на юг считается положительным, а отклонение к востоку – отрицательным), град.;

w – часовой угол, который зависит от конкретного времени суток.

Склонение солнца d определяется по соотношению [9]:

d = 23,45sin[(284 + N) 360 / 365], (5)

где N – порядковый номер дня года (начиная с 1, что соответствует 1 января).

Для того чтобы определить угол высоты солнца h, воспользуемся выражением [8]:

h = arcsin(sinjsind + cosjcosdcosw). (6)

Находим часовой угол w [9]:

w = (t – 12) p / 12, (7)

где t – время суток, ч.

Азимут g определяется следующим соотношением [5]:

g = arcsin[(cosdsinw) / cosh]. (8)

Согласно [6] приток рассеянной солнечной радиации можно вычислить по выражению:

Sр = 137,1 – 28,82 (1 / sinh) +

+ 2,27 (1 / sin2h). (9)

Имея электронную базу почасовых метеорологических данных о продолжительности солнечного сияния в интервалах реального времени для Львова за 2013 г. в виде относительных длительностей ясности tяі* и облачности toі*, по полученным почасовым значениям притоков составляющих солнечной радиации Sпі и Sрі на произвольно ориентированную в пространстве ФЭП можно рассчитать почасовое количество поступления суммарной (прямой и рассеянной) солнечной энергии Wi (кВт•ч/м2) по соотношению:

Wi = Wпі + Wрі, (10)

где Wпі = Sпіtяі* – прирост энергии прямой солнечной радиации в течение i-го часа;

Wрі = Sріtoі* – прирост энергии рассеянной солнечной радиации в течение i-го часа.

На рис. 3 представлены результаты вычислений почасовых значений притоков энергии прямой Wпі и рассеянной Wрі солнечной радиации для конкретного случая ориентирования ФЭП во Львове в 2013 г.

 

 

Выражения (1)–(10) применены для формирования программы вычислений в электронных таблицах Microsoft Office Excel, где сформирована и электронная база почасовых метеорологических данных. По данной программе проведены серии вычислений.

Полученные зависимости значений притока энергии суммарной годовой солнечной радиации от углов наклона ФЭП к горизонту для неподвижной ФЭП, ориентированной строго на юг, а также при азимутальном слежении ФЭП за солнцем и при двухкоординатном наведении ФЭП приведены на рис. 4. Из этих зависимостей можно сделать вывод, что для города оптимальным значением годового угла наклона ФЭП к горизонту для неподвижной и ориентированной строго на юг панели является угол 35°, а при азимутальном слежении ФЭП за солнцем – 50°.

 

 

При двухкоординатном наведении ФЭП система слежения за солнцем ежечасно направляет панель к солнцу таким образом, чтобы угол, который образуется между направлением на солнце и ФЭП, был равен 90° [2]. При таком наведении можно получить максимум энергии от солнца. Данную ориентировку ФЭП будем считать базовой в относительных сравнениях с другими.

Определенное увеличение притока солнечной энергии можно ожидать от посезонного изменения угла наклона ФЭП к горизонту, что можно делать вручную. На рис. 5 приведены результаты рассчитанных зависимостей притока энергии суммарной посезонной солнечной радиации от углов наклона ФЭП к горизонту при ориентации панели строго на юг и при почасовом слежении ФЭП за солнцем.

 

 

Проанализировав рис. 5, можно сделать вывод, что для Львова сезонными оптимальными углами наклона ФЭП к горизонту при ориентации панели строго на юг являются углы: зима – 65°, осень – 55°, весна – 30°, лето – 20°. При азимутальном слежении панели за солнцем сезонными оптимальными углами наклона ФЭП к горизонту являются следующие: зима – 70°, осень – 60°, весна – 50°, лето – 45°. Из рисунка также следует, что применение азимутального слежения ФЭП за солнцем лучше проявит себя летом и весной, чем осенью и зимой.

Прогнозирование количества полученной ЭЭ от конкретной ФЭП площадью 1 м2 при заданном ее размещении

Для исследования была использована ФЭП фирмы Siemens – Shell SM55.

Количество ЭЭ на выходе ФЭП ЕФЭП, получаемой от солнца в течение i-го часа, вычисляется на основе почасовых значений притока солнечной энергии на произвольно ориентированную в пространстве плоскость Wі, почасовых значений температуры окружающей среды taі и параметров конкретной ФЭП по выражению [10]:

ЕФЭПі = hФЭПіAWі, (11)

где hФЭПі – средняя энергетическая эффективность ФЭП в течение i-го часа;

A – площадь ФЭП.

Согласно методике, изложенной в [5], hФЭПі рассчитывается по следующему выражению:

hФЭПі = hкhт [1 – µ (tпі – tс)], (12)

где hк – номинальный КПД ФЭП;

hт – КПД системы отслеживания точки отбора максимальной мощности (maximum power point tracking – MPPT), который можно принять равным 1;

µ – температурный коэффициент ФЭП, который для кремниевых фотоэлементов находится в диапазоне 0,004–0,006 1/°C;

tс – температура ФЭП при стандартных условиях измерения;

tпі – реальная средняя температура ФЭП в течение i-го часа.

Температуру ФЭП в конкретных условиях работы можно рассчитать по соотношению:

tпі = taі + [(tн – 20) / 800] SSі, (13)

где tн – номинальная рабочая температура ФЭП (при солнечной радиации 800 Вт/м2 и температуре окружающей среды 20 °C);

SSі = Sпі + Sрі – суммарная падающая на ФЭП радиация в i-й час.

Для каждого из исследуемых способов управления положением ФЭП с соответствующими для них оптимальными углами наклона панели к горизонту на основе вычисленных ранее почасовых значений притока энергии суммарной солнечной радиации Wі по выражениям (11)–(13) были рассчитаны почасовые значения количества электроэнергии, сгенерированной 1 м2 ФЭП. Годовые суммы сгенерированной электроэнергии Е представлены в таблице. Там же приведены показатели энергоэффективности соответствующего способа управления ФЭП как отношение значений количества электроэнергии, полученной каждым из способов управления, к ее количеству, полученному при двухкоординатном наведении.

 

Таблица

Значение притока энергии суммарной годовой солнечной радиации (W), количества электроэнергии на выходе ФЭП (Е) и показатели относительной энергоэффективности (Еn / E5) исследуемых способов управления ФЭП для Львова (2013 г.)
Способ управления положением ФЭП

W, кВт•ч/м2

E, кВт•ч/м2

Еn / E5

ФЭП ориентирована на юг, a = 35°

1 051,1

142,7

0,745

ФЭП ориентирована на юг, a посезонно меняется

1 083,7

147,0

0,768

ФЭП с азимутальным слежением, a = 50°

1 358,6

181,9

0,950

ФЭП с азимутальным слежением, a посезонно меняется

1 367,7

182,9

0,955

ФЭП с двухкоординатным наведением

1 434,7

191,4

1,000

 

Выводы

 

На основе сформированной нами электронной базы почасовых метеорологических данных поступления солнечной радиации за 2013 г. проведен ряд исследований, которые дают информацию о параметрах оптимального размещения ФЭП в г. Львове. Проведено сравнение эффективности нескольких способов наведения ФЭП на солнце.

Для неподвижной ФЭП при ее ориентации строго на юг рекомендуем выбрать угол наклона панели к горизонту 35°, а при азимутальном слежении ФЭП за солнцем оптимальный угол наклона ФЭП к горизонту равен 50°. Посезонное изменение угла наклона ФЭП к горизонту требует дополнительного обслуживания, однако не дает значительного эффекта.

В случае азимутального наведения ФЭП по солнцу можно получить на 20 % больше электроэнергии на выходе ФЭП, чем при ориентировании панели строго на юг.

Двухкоординатное слежение ФЭП за солнцем позволит получить еще на 5 % больше ЭЭ за год, чем при азимутальном наведении, но, учитывая высокую стоимость, такой способ наведения для Львова нецелесообразен.

 

Владимир КЛИМКО,
аспирант,
Игорь ЩУР,
доктор технических наук, профессор, Национальный университет «Львовская политехника» (Украина)

 

(Статья поступила в редакцию 23.10.2014 г.)

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Gibson T., Kelly N. Increasing the solar photovoltaic energy capture on sunny and cloudy days // Solar energy. – 2011. – Vol. 85.

2. Sungur C. Multi-axes sun-tracking system with PLC control for photovoltaic panels in Turkey // Renewable energy. – 2009. – Vol. 34.

3. Щур I. З., Климко В. I. Прогнозування ефективності роботи фотоелектричних панелей у місті Львові // Вісник Націон. ун-ту «Львівська політехніка». – 2014. – № 785.

4. Mohamad A. Efficiency improvements of photo-voltaic panels using a sun-tracking system // Applied Energy. – 2004. – Vol. 79.

5. Кондратьев К. Я., Пивоварова З. И., Федорова М. П. Радиационный режим наклонных поверхностей. – Л.: Гидрометеоиздат, 1978. – 170 с.

6. Шаповал С. П., Касинець М. Є., Дейнека О. В. Розрахунок сонячної енергії, що надходить на геліопанель // Електр. наук. архів наук.-тех. бібліотеки Націон. ун-ту «Львівська політехніка». – http://ena.lp.edu.ua.

7. Твайделл Д., Уеєр А. Возобновляємые источники энергии. – М.: Мир, 1990. – 393 с.

8. Duffie J., Beckman W. Solar Engineering of Processes Thermal. – Madison, Wisconsin, USA, 1980. – 469 р.

9. Brinkvort B. Solar Energy for Man. – London, UK, 1972. – 234 р.

10. Щур I. З., Климко В. I. Техніко-економічне обгрунтування параметрів гібридної вітро-сонячної системи для електропостачання окремого об¢єкта // Електромеханічні і енергозберігаючі системи. – 2014. – № 2.

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком