Влияние расположения солнечного диска на небосводе относительно поверхностей солнечных батарей на их энергетическую эффективность Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 621.472

ВЛИЯНИЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ДИСКА НА НЕБОСВОДЕ ОТНОСИТЕЛЬНО ПОВЕРХНОСТЕЙ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ НА ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

© 2015 г .В. В. Харченко, Б. Л. Никитин, В. А. Майоров, В. А. Гусаров, А Г. Беленое, С, А. Ракитов

Рассматривается зависимость выбора конструктивного решения гелиоустановки с модулями солнечных батарей (стационарная или с системой слежения за положением Солнца) от географической широты места расположения и временного периода эксплуатации (даты года и времени суток). Рассчитаны и представлены графически данные по изменению продолжительности светлого времени суток в течение года для широт 57° и 40". Приведены полученные расчётным путём графики зависимостей высоты солнечного диска относительно горизонта для широты Москвы (МГУ) по месяцам с учетом даты года и времени суток. Сопоставлены графики времени работы солнечных батарей (СБ): стационарной на широте 45° и со слежением за положением Солнца для широт 40и и 57°. Проведен ориентировочный расчёт удельной выработки электроэнергии стационарной установкой и установкой с системой слежения за положением Солнца для сравнения их энергетической эффективности.

Результаты представлены в виде графиков, анализ которых показывает, что СБ с точным слежением за положением Солнца вырабатывает электроэнергии в году в 1.32 раза больше, чем соответствующая по площади миделя стационарная СБ с планарными модулями, однако в первом случае конструкция усложняется устройством системы слежения, добавочными констру ктивными элементами, дополнительной элсктро-коммутацией и т.д. В то же время стационарная СБ с концентраторами вырабатывает по отношению к пла-нарной СБ на 19% меньше электроэнергии в году, но его конструкция содержит значительно меньше фотопреобразователей (пропорционально коэффициенту7 концентрации К этой установки).

Ключевые слова: солнечная батарея, угловая высота солнца, генерация электроэнергии, стационарная установка, система слежения.

Dependence of the constructive decision for installation with solar panels (stationary- or with tracking system) from geographical width of the location and the time period of operation (date of year and time of days) is considered. Durations change of light time of days within a year for widths 57° and 40" are calculated and graphically given. The schedules of dependences of height of a solar disk received by a settlement way concerning horizon for width of Moscow (Moscow State University) on months with the account of date of year and time of day s are resulted. Schedules of an operating time of solar batteries (SB) are compared: stationary at width 45° and with tracking position of the Sun for widths 40" and 57". Rough calculation of specific development of the electric power by stationary installation and instillation with tracking system for position of the Sun for comparison of their power efficiency is spent.

Rough calculation of specific production of the electric power by stationary installation and installation with system of tracking position of the Sun for comparison of their power efficiency is spent. Results are presented in the form of the schedules which analy sis shows that solar batarries with exact tracking Sun position produce the electric power in a year in 1,32 times more than corresponding stationary SB with planar modules, however in the first case the design becomes complicated due to the device of tracking system, additional constructive elements, additional electroswitching etc. At the same time stationary SB with concentrators produce in relation to planar SB on 19% of less electric power in a year, but its design contains much less solar cells (proportionally to the factor of concentration К of this installation).

Key words: solar battery, angular height of the sun, electric power generatioa stationary installation, tracking system.

Энергетическая эффективность работы фотоэлектрических модулей солнечных батарей (СБ) представляется важной задачей, особенно, когда они функционируют в качестве основных источников генерации электроэнергии.

Одним из самых распространённых и технически наиболее просто реализуемых вариантов их использования в наземных условиях является стационарное размещение конструкции с ориентацией лучевос-принимающей поверхности на полуденное положение солнца в заданной географической местности с учётом выбранного времени года. Однако в этом случае утром и вечером лучи солнца падают на рабочие поверхности фотопреобразователей под достаточно малыми углами, что заметно снижает эффективность их работы. Использование для устранения этого недостатка автоматических устройств постоянного слежения за положением солнца на небосводе в течение всего светового дня значительно усложняет конструкцию, увеличивает её стоимость и требует дополнительных затрат энергии, которая в местах установки СБ может быть весьма дефицитной [1].

В ряде работ [2, 3, 4] предлагались выражения для расчётов угловой высоты солнечного диска над горизонтом для ориентации лучевоспринимающей поверхности СБ к поступающему солнечному излучения в данных конкретных случаях. Поэтому была поставлена задача разработать методику расчетного определения углового расположения солнечного диска на небосводе в течение всего светового дня для любой заданной географической точки. Это позволит более обоснованно выбрать конструктивное решение СБ: стационарное размещение под наиболее оптимальным углом или с применением системы слежения.

В общем виде для любой местности земного шара с учетом дня и месяца года и времени суток угловая высота центра солнечного диска над горизонтом Но зависит от:

- географической широты заданной местности (р (для заданной местности угол (р есть величина постоянная);

— угла /?, связанного с изменением в течение года склонения солнца относитель-

но плоскости экватора земного шара. Изменение угла Р в течение года обусловлено наклоном оси вращения земного шара относительно плоскости орбиты Земли вокруг Солнца. Экстремальные значения этого угла соответствуют дням летнего и зимнего солнцестояния и составляют ± 23,5°. В дни весеннего и осеннего равноденствия этот угол равен 0°;

- угла о), определяемого суточным вращением земного шара и временем / после или до момента полуденного положения солнца, т.е. когда солнечный диск достигает в выбранной местности максимальной угловой высоты.

Угол склонения /? зависит от годового угла и' и определяется выражением

Р = Г}-$ тм/,

где ц - угол между осью вращения Земли и полюсом мира (// = 23,5°), угол и' - соответствует вращению Земли вокруг Солнца и может быть выражен соотношением

м' - 2 ■ ж/ Nг ■ (М0 - М), (1)

где Лг - количество дней в году; N - текущий день в году; Ло - число дней от начала года до дня равноденствия.

Склонение Р можно также определить по приближенной формуле Купера.

Округлённые значения величин склонения по месяцам года приведены в таблице.

Величина угла со в силу равномерного вращения земного шара вокруг своей оси определяется по формуле:

¿» = *-360°/24ч = Ы5°/ч, где 24 ч - период вращения Земли вокруг своей оси.

Зная для данной местности, момента времени суток и даты года трех перечисленных выше углов со, (5 и (р, можно рассчитать продолжительность светлого солнечного времени суток. На рисунке 1 представлена зависимость длительности светлой части суток от времени года для местностей на географических широтах 57° с.ш. Москва) и 40° с.ш. Джизак, Узбекистан).

Числовые значения угловых высот солнца относительно горизонта Земли для местности (р = 55,7° (широта г. Москвы, МГУ), рассчитанные с учётом даты года (сезонного угла склонения солнца) и вре-

мени суток, приведены на рисунке 2. Нача- учёта наличия облачности) продолжитель-

ло отсчёта времени соответствует моменту ность светового дня плавно меняется от се-

полудня. Из анализа представленных зави- зона к сезону, симостей следует, что теоретически (без

Годовой ход изменения склонения солнца fí

Месяц 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Р -21° -14° -3° 9° 19° 23° 21° 14° 2° -10° -19° -23°

Дневное время в течение суток на шкотах 1- 57 гр 2- <Югр

у ¿i* - "57е)

—

У

'У

-

•200 -130 -100 -50 О 50 1Э0 150 200

Текущий день

декабрь март икхъ сентябрь декабрь

Рисунок I - Характер изменения светлого (солнечного) времени суток в течение года

для широт 57° Москва) и 40° Джизак)

so

GO

•80.....г--. < ■ I , !-< ! , !-' I I I I !-^ ■ I ! ' |

О 2 4 6 а Ю 12 14

Время, ч

Рисунок 2 - Зависимость угловой высоты солнечного диска относительно горизонта для выбранной местности (Москва, МГУ) в зависимости от даты года и времени суток

Основой для расчета работы СБ с часового угла СОп движения солнца от угла точным слежением является зависимость склонения/? и широты ^ [5].

cosG>н=tgfi>tg^

На основании формулы (1) рассчитывается зимнее время ^ работы СБ со слежением:

( = 2агсс

а

где а = 15°/ч.

Летнее время работы СБ со слежением выражается соотношением

а

Стационарные установленные модули СБ не имеют системы слежения за положением солнца на небосводе. Основой расчета времени работы планарных СБ является зависимость часового угла С0И от

угла склонения /?.

Графики времени работы солнечных батарей - стационарной на широте 45° и с точным слежением за положением солнца на широтах 40° и 57° - представлены на рисунке 3.

Дневное время в течение года

о п У

о. Ш

20.0 18.0 16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0

1 —

-Гчас(ф=57 > -гпл.час< ф -45 >

——

0.0 02 0.4 0.6 0.8

Текущим день, отн.ед. нюнь сентябрь декабрь

1.0

1.2

Рисунок 3 - Графики времени работы солнечных батарей: стационарной СБ на широте 45е

и СБ с точным слежением на широтах 40° и 57°

На рисунке 4 представлена зависимость выработки энергии стационарных СБ и СБ с концентраторами со слежением (площадью I м") от текущего дня в течение года (июнь-декабрь), на широтах 40° и 57°.

Из приведенных сравнительных характеристик видно, что СБ с точным слежением за положением солнца в 1,32 раза вырабатывает больше энергии в году, чем соответствующая стационарная планарная СБ, однако конструкция усложняется устройством слежения, несущими конструкциями, усложнённой электрокоммутацией и т.д. Стационарная СБ с концентратором вырабатывает по отношению к

планарной СБ на 19% меньше энергии в году, но его конструкция содержит меньше фотопреобразователей пропорционально его коэффициенту концентрации К.

Вывод

Таким образом, окончательный выбор между стационарной конструкцией СБ и конструкцией с использованием системы слежения зависит от технико-экономических параметров этих конструктивных решений, получаемой экономической и энергетической эффективности, особенностей условий эксплуатации и других факторов, каждый из которых требует дополнительного анализа.

Выработка энергии СБ плош, 1 м2 <Еср=700 Вт ы2 ш. 57 грк (Еср=750 Вт I.«? ш.40 гр>

2,0

1

1.8 у '---

чьи

---Ппл=13в«.ф=57в

--11опт=0.8.ф=57*

" ппл=13%.ф=40° ——попт=0.8.ф=-Ю*

Г

* I I «

о

•о f*

х

QQ

0.0

0.2

0.8

1.0

1.2

0.4 0.6

Текущий день, отн.ед. июнь сентябрь декабрь

Рисунок 4 - Зависимость выработки энергии стационарных СБ с КПД ?/сэ=0,13 и СБ со слежением (площадью 1 м") с оптическим КПД //ош=0,8 и //сэ=0,13

от текущего дня в течение года (июнь-декабрь), на широтах 57°

^ /2 при средней интенсивности солнечного излучения АСр=700 Вт/м (~ Москва) и 40°

при средней интенсивности солнечного излучения Еср =750 Вт/м2 Джизак)

Литература

1. Никитин, Б. А. К вопросу повышения суточной эффективности работы фотопреобразователей в наземных условиях путём выбора оптимальных вариантов коррекции их ориентации относительно положения солнца / Б. А. Никитин, В. А. Гусаров // Научный журнал электротехнология и энергетика сельского хозяйства. - 2008. -№ 1.

2. Елистратов, ВВ. Солнечные энергоустановки. Оценка поступления солнечного излучения: учебное пособие / В В. Елистратов, Е.С. Аронова. - Санкт-Петербург: Изд-во Политехнического университета, 2012. - С. 30-39.

3. Mattew Buresch. Photovoltaig power generation. - New York: McGraw-Hill Book Company.

4. К вопросу расчетов угловой высоты солнечного диска относительно горизонта для выбранной местности с учетом даты года и времени суток / Б.А. Никитин, В.А. Гусаров, ВВ. Харченко, В. А. Майоров, А.Т. Беленов // Труды 9-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (21-22 мая 2014 г., Москва), 2014.

5. Майоров, В. А. Энергетические характеристики солнечных батарей различных типов и режимов работ /В.А. Майоров // Труды 6-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергоснабжение в сельском хозяйстве» (13-14 мая 2008 г., Москва), Ч. 4. -2008.

References

1. Nikitin, В.A., Gusarov, V.A. (2008), "On the question of the photovoltaic devices daily efficiency increasing in terrestrial conditions by selecting optimal variants of their orientation correction relatively to the sun position" ["K voprosu povyshenija sutochnoj jeffektivnosti raboty fotopreobrazovatelej v nazemnyh uslovijah putjom vybora optimal'nyh variantov korrekcii ih orientacii otnositel'no polozhenija solnca"], Scientific Journal of electrotechnology and energy agriculture, No. 1.

2. Elistratov, V.V., Aronova, E.S. (2012) "Solar power plant. Estimates of solar radiation resources: a tutorial" ["Solnechnye jenergoustanovki. Ocenka postuplenija solnechnogo izluchenija: uchebnoe posobie"], Polytechnic University Publishing House, St. Petersburg, 2012.

3. Buresch, Mattew. Photovoltaic power generation. - New York: McGraw-Hill Book Company.

4. Nikitin, B.A., Gusarov, V.A., Harchenko, V.V., Majorov, V.A., Belenov, A T. (2014), "On the question of the solar disangular height calculation on the horizon for selected areas in view of the year date and day time" ["K voprosu raschetov uglovoj vysoty solnechnogo diska otnositel'no gorizonta dlja vybrannoj mestnosti s uchetom daty goda i vremeni

sutok"], Proceedings of the 9th International Scientific Conference "Energy supply and energy efficiency in agriculture".

5. Majorov, V.A. (2008), "Energy characteristics and operation modes of Different types solar cells" ["Jenergeticheskie harakteristiki solnechnyh batarej razlichnyh tipov i rezhimov rabot"], Proceedings of the 6th International Scientific Conference "Energy supply and energy in agriculture", Part 4.

Сведения об авторах

Харченко Валерий Владимирович - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник отдела возобновляемых источников энергии ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (г. Москва, Россия). Тел.: 8-916-075-19-56. E-mail: kharval@mail.ru.

Никитин Борис Андреевич - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории солнечных концентраторных систем и нетрадиционных источников энергии отдела возобновляемых источников энергии ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (г. Москва, Россия). Тел.: 8(499)171-96-70.

Майоров Владимир Александрович - кандидат технических наук, заведующий лабораторией солнечных концентраторных систем и нетрадиционных источников энергии отдела возобновляемых источников энергии ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (г. Москва, Россия). Тел.: 8(499)171-96-70.

Гусаров Валентин Александрович — докторант, кандидат технических наук, заведующий лабораторией микроГЭС и ветроэнергетики отдела возобновляемых источников энергии ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (г. Москва, Россия). Тел.: 8-905-549-01-21. E-mail: cosinys50@mail.ru.

Беленов Александр Тихонович — старший научный сотрудник лаборатории солнечных концентраторных систем и нетрадиционных источников энергии отдела возобновляемых источников энергии ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (г. Москва, Россия). Тел.: 8(499)171-96-70.

Ракитов Сергей Александрович — аспирант ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» (Россия). Тел.: 8(442)41-17-84.

Information about the authors

Harchenko Valeriy Vladimirovich - Doctor of Technical Sciences, professor, chief researcher of the Renewable energy department, FSB SI «Russian Scientific and Research Agriculture Electrification Institute» (Moscow, Russia). Phone: 8-916-075-19-56. E-mail: kharval @ mail.ru.

Nikitin Boris Andreevich - Candidate of Technical Sciences, professor, chief researcher of the Renewable energy department, FSB SI «Russian Scientific and Research Agriculture Electrification Institute» (Moscow, Russia). Phone: 8(499)171-96-70.

Mayorov Vladimir Alexandrevich - Candidate of Technical Sciences, head of the Solar concentrator systems and alternative energy sources laboratory, Renewable energy department, FSB ST «Russian Scientific and Research Agriculture Electrification Institute» (Moscow, Russia). Phone: 8(499)171-96-70.

Gusarov Valentin Alexandrovich - doctoral, Candidate of Technical Sciences, head of the Microhydro and wind energy laboratory, Renewable energy department, FSBSI «Russian Scientific and Research Agriculture Electrification Institute» (Moscow, Russia). Phone: 8-905-549-01-21. E-mail: cosinys50@mail.ru.

Belenov Alexander Tikhonovich - a senior researcher of the Solar concentrator systems and alternative energy sources laboratory, Renewable energy department, FSBST «Russian Research Agriculture Electrification institute» (Moscow, Russia). Phone: 8(499) 171-96-70.

Rakitov Sergey Alexandrovich - post-graduate student of FSBEI HPE "Volgograd State Agrarian University" (Russia). Phone: 8(442) 41-17-84.