CC BY
66
УДК 620.91 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-2-67-71
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО УГЛА НАКЛОНА ПАНЕЛЕЙ СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК В УСЛОВИЯХ
РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ
DETERMINING OPTIMAL TILT ANGLE OF SOLAR POWER INSTALLATION PANELS UNDER CONDITIONS OF THE ROSTOV REGION
© 2016 г. Ю.В. Даус
Даус Юлия Владимировна - соискатель, Азово-черноморс-кий инженерный институт - филиал ФГБНУ ВО «Донской государственный аграрный университет», г. Зерноград, Россия. E-mail: zirochka2505@gmail.com
Daus Julia Vladimirovna - applicant, Azov-Black Sea Engineering Institute, branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University», Zernograd, Russia. E-mail: zirochka2505@gmail. com
Представлена инженерная методика определения оптимального угла наклона приемной площадки относительно горизонта и временного интервала его регулирования с учетом характера изменения интенсивности солнечного излучения на различно ориентированные поверхности в течение суток для повышения уровня использования потенциала солнечной энергии места их расположения за заданный период времени, позволяющая повысить эффективность как уже действующих солнечных энергоустановок, так и сократить количество фотоэлектрических панелей или солнечных коллекторов при проектировании новых объектов. Приведены результаты расчета оптимального угла наклона приемной поверхности для г. Зернограда Ростовской области.
Ключевые слова: потенциал солнечной энергии; угол наклона; регулирование угла наклона.
In the article there is presented engineering method for determining the optimum tilt angle of the receiving surface to the horizon and the time interval of its adjustment according to the nature of solar radiation intensity change on the differently oriented surfaces during the day to enhance the use of solar energy potential of the location in a given period of time, that can improve the efficiency of both existing solar power installations and reduce the number of photovoltaic panels or solar collectors in the designing new ones. There are presented calculation results of the optimum tilt angle of the receiving surface for Zernograd of the Rostov region.
Keywords: solar energy potential; tilt angle; tilt angle adjustment.
Введение
Основой экономического и технического развития любого региона являются его энергетические ресурсы, определяемые природно-ресурсным потенциалом территории [1]. Наличие существенного потенциала позволяет размещать источники энергии, эффективно снабжая их ресурсами и тем самым обеспечивая их вклад в организацию и специализацию промышленного уклада территории. Природно-ресурсный потенциал состоит из потенциалов отдельных видов ресурсов, среди которых Солнце выделяется как источник постоянной энергии, характер изменения которой имеет свою достаточно известную закономерность.
Под валовым потенциалом солнечной энергии, как известно, понимают значение солнечного излучения, падающего на 1 м2 горизонтальной поверхности за один год. Этот показатель является основным и наиболее часто употребляемым при описании возможностей солнечной энергетики и перспектив ее развития. Однако технически реализовать его полностью невозможно ввиду технологических, социальных и экологических ограничений. Последнее обусловлено приспособлением территории, на которой планируется разместить энергоустановки, к условиям жизни и производственной деятельности населения, безопасного существования флоры и фауны. Технологические же ограничения чаще
связаны с потерями в технологическом цикле, а также при транспортировке и преобразовании энергии [1, 2].
В большинстве случаев при проектировании солнечных энергоустановок элементная база формируется из стандартных сертифицированных технических устройств, имеющих свои конкретные технико-экономические характеристики. Поэтому, не внося конструктивных изменений в них, повысить уровень реализации имеющегося валового потенциала солнечной энергии на конкретной территории возможно путем поиска оптимального размещения принимающих поверхностей относительно движения Солнца, а именно -горизонта.
Анализ последних исследований
Рекомендованным наклоном принимающей поверхности солнечных элементов для нерегулируемой системы является значение широты, а для сезонного регулирования угла наклона: весны и осени - широта, зимы - широта+15°, лето - широта-15° [3]. Однако в ряде работ [4, 5] была доказана и экспериментальным путем подтверждена недостаточная эффективность такого подхода. Согласно данным [2] для максимизации прихода суммарного солнечного излучения на приемную поверхность не существует строгих аналитических зависимостей. В большинстве исследований сначала выявляется зависимость изменения значений суммарной инсоляции за заданный период на площадку от её угла наклона, а затем находится максимум полученной кривой [4 - 8]. Разница их состоит в источнике исходной информации, используемой для оптимизации. Так, в работах [4, 6, 7] данные об инсоляции были получены путем непосредственных измерений в течение заданного периода, однако такой способ не может гарантировать высокой точности ввиду ограниченности периода наблюдения. Авторами [5, 8] предлагается использовать аналитические методы определения интенсивности солнечного излучения, однако при этом здесь использованы расчетные подходы, которые не проводят верификацию результата с реальными данными измерений, что в итоге может снизить точность расчетов.
Расчетная методика для условий Южного федерального округа [9] позволяет учесть климатологические условия региона, так как основана на комбинации метода применения дневного профиля поступления солнечной радиации при
абсолютно чистом небе и актинометрических данных электронной базы SSE NASA.
Таким образом, можно констатировать, что не существует единого аналитического подхода к определению оптимального угла наклона приемной поверхности. Поэтому для проектирования солнечных энергоустановок актуальна разработка обобщенной инженерной методики определения оптимального угла наклона приемной площадки, которая позволит максимизировать объем реализуемого потенциала солнечной энергии любого района.
Целью настоящей статьи является обоснование методики определения оптимального угла наклона приемной площадки с учетом характера изменения интенсивности солнечного излучения на различно ориентированные поверхности в течение суток, для повышения уровня использования потенциала солнечной энергии места их расположения за заданный период времени.
Материалы и методика исследования
Критерием оптимизации в поставленной задаче является максимум значения суммарного солнечного излучения, приходящегося на 1 м приемной поверхности за выбранный период времени:
I Zn, 1=о Rsumß (t,nH max ,
где t - момент времени, ч; nb n2 - первый и последний день расчетного периода; ß - угол наклонной приемной поверхности относительно горизонта: ß > 0,град.
Часовые значения суммарной солнечной радиации для дня n в момент времени t на произвольно наклоненную под углом ß приемную площадку с азимутом у определяются по формуле [10]
n i \ г>~/ i Л COSu (t,n)
Rsumß (t, n) = RdrH (t, n)-т2"т +
cos ö(t, n)
+RdfH (t, n/^V RrfH (t, nf" COSß^
где RdrH (t, n), RdfH (t, n) , RrfH (t, n) - соответственно часовые суммы прямой, рассеянной и отраженной солнечной радиации на горизонтальную поверхность для дня n в момент времени t, (кВт-ч)/м . Определяются расчетным путем согласно методике [9]; cos0(t,n) - угол падения прямого солнечного излучения на горизонталь-
ную поверхность; cosu (t,n) - угол падения прямого солнечного излучения на произвольно наклоненную под углом в > 0 приемную площадку с азимутом у определяется согласно подходу [11].
Результаты и их обсуждение
С целью сокращения времени расчетов предложенный алгоритм был положен в основу компьютерной программы, диалоговое окно которой показано на рис. 1. Здесь необходимо ввести географические координаты места расположения приемной площадки, указать её ориентацию по сторонам света, диапазон значений углов её наклона относительно горизонта и период времени, на котором проводится оптимизация. Результаты расчета выводятся в виде зависимостей всех составляющих солнечной инсоляции от угла наклона поверхности в текстовом и графическом виде, кроме того найденные оптимальные углы наклона с соответствующими значениями солнечного излучения показаны в виде таблиц в окне вывода результатов.
Расчет и нтенси
ености солнечном радиации
Рассмотрим пример расчета всех составляющих солнечной инсоляции для г. Зернограда Ростовской области: географические координаты его местоположения - 46,8 °с.ш., 40,3 °в.д.; угол поворота приемной поверхности солнечных элементов относительно сторон света - у = 0°; интервал углов наклона площадки относительно горизонта, на котором проводится поиск оптимального значения, в = 0 ... 90 °; возможность регулирования угла наклона приемной площадки: не регулируется, регулируется посезонно и помесячно.
На рис. 2 представлена зависимость годовых значений всех составляющих солнечного излучения от угла наклона приемной площадки для района города Зернограда.
Из рис. 2 видно, что выраженный максимум имеют суммарная и прямая инсоляции. Отраженная и рассеянная составляющая с увеличением угла наклона поверхности относительно горизонта соответственно растет и падает. Для прямой радиации максимум достигается при в = 40°
к I- (н!
Минимальный угол наклона приемной поверхности {0...5Q1) 0
Максимальный угол наклона приемной поверхности (0...90) Э0 Угол поворота приемной поверхности (-Э0...Э0)
Географические координаты Широта Долгота
45
38.ЭЭ
эо
Суммы прямого солнечного излучения, поступающего на приемную поверхность Месячные Сезонные Годовые
0 Текстовый Файл 0 Текстовый Файл 0 Текстовый Файл
0 График 0 График 0 График
Суммы рассеянного солнечного излучения, поступающего на приемную поверхность Месячные Сезонные Годовые
[У1 Текстовый Файл V Текстовый Файл 0 Текстовый Файл
0 График 0 График 0 График
Суммы отраженного солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность Месячные Сезонные Годовые
0 Текстовый Файл 0 Текстовый Файл V Текстовый Файл
0 График 0 График 0 График
Общие суммы солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность Месячные Сезонные Годовые
0 Текстовый Файл 0 Текстовый Файл 7 Текстовый Файл
Ш График @ График 0 График
Расчет
Рис. 1. Диалоговое окно компьютерной программы
(
\
= 146572 (кВт-ч)/м2;
Iй2 !Го ™гн м^0^
для суммарной радиации при в = 38 I"п2=щ 1=о^ит^ (г,п) = 1469,22 (кВт-ч)/м2.
5 К
X =г 1 § „ •Ii!
В о. 5-
Ш >5 i-м S ш
н 5 а
■ о У
■ о w о X
ч
с
=0
2000 1500 1000 500 0
1 ±Г
--------------
3 ^ 4 -
0 5 10 152025 3035404550556065 7075 808590 Угол наклона приемной поверхности, р°
Рис. 2. Годовые суммы составляющих солнечной радиации на различно ориентированные относительно горизонта площадки: 1 - суммарная; 2 - прямая;
3 - рассеянная; 4 - отраженная
При нерегулируемом угле наклона приемной площадки относительно горизонта для района г. Зернограда рекомендованный угол согласно [3] равен широте: в = 46,8°, для которого расчетное значение годовой суммы солнечного излучения равно 1311,44 (кВт-ч)/м2.
Аналогично проводим расчет при регулировании угла наклона посезонно. В таблице представлены результаты расчета оптимального угла вопт и соответствующие им значения интенсивности инсоляции К^ит^ (г, п), а также аналогичные величины для рекомендованного угла наклона врек [3].
Результаты расчета оптимального угла наклона приемной площадки для района г. Зернограда при посезонном регулировании
Период ß ° Нопт} К^итр(Г, п) за период, (кВт-ч)/м2 ß ° Прею К^итр(Г, п) за период, (кВт-ч)/м2
Зима 90 282,07 61,8 254,68
Весна 31 422,31 46,8 366,73
Лето 18 535,78 31,8 421,80
Осень 61 332,63 46,8 315,93
Год - 1572,78 - 1359,14
Предложенный нами подход к определению оптимального угла наклона приемной поверхности относительно горизонта с целью максимизации использования имеющегося ресурса всех составляющих солнечного излучения позволяет с 1 м2 получить на 157,78 кВтч больше для
координат г. Зернограда. То есть на 11 % увеличить эффективность использования либо существующих солнечных энергоустановок, либо сократить количество преобразующих поверхностей (фотоэлектрических панелей или солнечных коллекторов) при проектировании новых энергообъектов.
При посезонном регулировании угла наклона приемной площадки годовая интенсивность инсоляции возрастает на 3,6 % при рекомендованных значениях. В то же время при использовании расчетных углов приход солнечного излучения возрастает на 7 % по сравнению с нерегулируемым расчётным углом, и на 20 % - с постоянным углом, равным широте.
Эффективность месячного регулирования соизмерима с посезонным регулированием, при этом значение годовой суммы солнечного излучения возрастает только на 1,1 % (17,45 (кВт-ч)/м2).
Выводы
Для проектирования солнечных энергоустановок предложена к использованию разработанная инженерная методика определения оптимального угла наклона приемной площадки, учитывающей характер изменения интенсивности солнечного излучения на различно ориентированные поверхности в течение суток, с целью повышения уровня использования потенциала солнечной энергии места их расположения за заданный период времени.
Использование полученного оптимального угла наклона площадки позволяет, например, в условиях г. Зернограда Ростовской области на 11 % увеличить эффективность как уже действующих солнечных энергоустановок, так и сократить количество преобразующих поверхностей (фотоэлектрических панелей или солнечных коллекторов) при проектировании новых объектов.
Применение разработанной методики позволяет выявить, что возможность эффективного посезонного регулирования для максимального использования потенциала солнечной энергии наибольшая. В конечном итоге это позволяет технически реализовать увеличение прихода инсоляции на 7 % по сравнению с нерегулируемым расчётным оптимальным углом, и на 20 % -с постоянным углом, равным широте. Уменьшение периода регулирования угла наклона до месяца практически не влияет на годовую величину солнечного излучения (1,1 %).
о
Литература
1. Стребков Д.С., Тихомиров А.В., Харченко В.В. Проект энергетической стратегии сельского хозяйства России // Техника и оборудование для села. 2009. № 2 (140). С. 12.
2. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Мали-нин Н.К. Солнечная энергетика: учеб. пособие для вузов / под ред. В.И. Виссарионова. М., 2008. 317 с.
3. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Киселева С.В., Терехова Е.Н. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России. М., 2010. 84 с.
4. Istvan Patko, Andräs Szeder, Csilla Patko Evaluation the impact tilt angle on the sun collectors // Energy Procedia. 2013. № 32. Р. 222.
5. Paolo Corrada, John Bell, Lisa Guan, Nunzio Motta Optimizing solar collector tilt angle to improve energy harvesting in a solar cooling system // Energy Procedia. 2014. № 48. P. 806.
6. Ekadewi A. Handoyo, Djatmiko Ichsani Prabowo The optimal tilt angle of a solar collector // Energy Procedia. 2013. № 32. P. 166.
7. M. Jamil Ahmed, G.N. Tiwari Optimization of tilt angle of solar collector to receive maximum radiation // Open Renewable Energy Journal. 2009. № 2. P. 19.
8. Телегин В.В. Повышение эффективности функционирования систем электроснабжения предприятий ограниченной мощности с использованием альтернативных источников энергии: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Липецк, 2014.
9. Даус Ю.В. Оценка потенциала солнечной энергии Южного федерального округа // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 4 (14). С. 190.
10. B.Y.H. Liu, R. C. Jordan. Daily insolation on surfaces tilted towards the equator // ASHRAE Journal. 1961. Vol. 3. №. 10. P. 53.
11. Shyam S. Chandel, Rajeev K. Aggarwal Estimation of Hourly Solar Radiation on Horizontal and Inclined Surfaces in Western Himalayas // Smart Grid and Renewable Energy. 2011. № 2. P. 45.
References
1. Strebkov D.S., Tikhomirov A.V., Kharchenko V.V. Proekt energeticheskoi strategii sel'skogo khozyaistva Rossii [Project of Energy Strategy of Agriculture of Russia]. Tekhnika i oborudovanie dlya sela, 2009, no. 2 (140), p. 12.
2. Vissarionov V.I., Deryugina G.V., Kuznetsova V.A., Malinin N.K. Solnechnaya energetika [Solar energy]. Moscow, 2008, 317 p.
3. Popel' O.S., Frid S.E., Kolomiets Yu.G., Kiseleva S.V., Terekhova E.N. Atlas resursov solnechnoi energii na territorii Rossii [Atlas of solar energy resources on the territory of Russia]. Moscow, 2010, 84 p.
4. Istvan Patko, Andras Szeder, Csilla Patko Evaluation the impact tilt angle on the sun collectors // Energy Procedia. 2013. no. 32. Р. 222.
5. Paolo Corrada, John Bell, Lisa Guan, Nunzio Motta Optimizing solar collector tilt angle to improve energy harvesting in a solar cooling system // Energy Procedia. 2014. no. 48. P. 806.
6. Ekadewi A. Handoyo, Djatmiko Ichsani Prabowo The optimal tilt angle of a solar collector // Energy Procedia. 2013. no. 32. P. 166.
7. Ahmed M. Jamil, Tiwari G.N. Optimization of tilt angle of solar collector to receive maximum radiation // Open Renewable Energy Journal. 2009. no. 2. P. 19.
8. Telegin V.V. Povyshenie effektivnosti funktsionirovaniya sistem elektrosnabzheniya predpriyatii ogranichennoi moshchnosti s ispol'zo-vaniem al'ternativnykh istochnikov energii. dis. kand. tehn. nauk [Improving the efficiency of functioning enterprises power supply systems of limited power using alternative energy sources. Cand. Techn. Scien. Diss.]. Lipeck, 2014.
9. Daus Yu.V. Otsenka potentsiala solnechnoi energii Yuzhnogo federal'nogo okruga [Estimation of solar energy potential of the Southern Federal District]. Innovatsii v sel'skom khozyaistve, 2015, no. 4 (14), p. 190.
10. Liu B.Y.H., Jordan R.C. Daily insolation on surfaces tilted towards the equator // ASHRAE Journal. 1961. Vol. 3. no. 10. P. 53.
11. Shyam S. Chandel, Rajeev K. Aggarwal Estimation of Hourly Solar Radiation on Horizontal and Inclined Surfaces in Western Himalayas // Smart Grid and Renewable Energy. 2011. no. 2. P. 45.
Поступила в редакцию 25 марта 2016 г.
