СПОСОБ КОМПОНОВКИ И ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАНЕЛЕЙ В СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ БЕЗ СЛЕЖЕНИЯ ЗА СОЛНЦЕМ
METHOD OF LAYOUT AND SPATIAL ORIENTATION OF PHOTOELECTRIC PANELS IN SOLAR ELECTRIC STATION WITHOUT TRACING SUN

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к солнечным электростанциям, создаваемым на базе стационарно установленных солнечных панелей, без слежения за перемещением солнца по небосклону и может найти применение при проектировании или модернизации солнечных электростанций, в том числе для электроснабжения удаленных сельскохозяйственных потребителей.
st
Известен способ установки солнечных панелей при создании солнечных станций, в соответствии с которым все панели одинакового размера и соответственно одинаковой мощности расположены в один или несколько рядов, параллельных друг другу, под заданным углом наклона к горизонту с южной азимутальной ориентацией, который обеспечивает максимальную выработку электрической энергии за выбранный период времени (световой день, месяц, сезон или год). В солнечных станциях подобного типа панели устанавливаются стационарно, их повороты или перемещения не предусмотрены, а угол их ориентации по сторонам света и ориентация по отношению к небосклону выбираются одинаковыми для всех панелей. Такая компоновка солнечных панелей в солнечных электростанциях используется повсеместно, поскольку обеспечивает максимальное использование приходящей солнечной радиации [Vladislav Poulek, Martin Libra, Photovoltaics, theory and practice of solar energy utilization, Editor: ILSA (www.ilsa.cz), Prague, 1 edition, 168 pages, Printedat , Ltd.,  190, 261 01  IV., Czech Republic, January 2010, ISBN 978-80-904311-2-6, р. 61 - аналог].
Недостатком такого способа размещения фотоэлектрических панелей является снижение эффективности работы в утренние и вечерние часы ввиду взаимного затенения, а также выработка электрической энергии по графику, соответствующему графику прихода солнечного излучения, который в большинстве случаев отличается от графика нагрузки.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ размещения солнечных батарей в солнечной электростанции, заключающийся в установке панелей таким образом, чтобы они размещались друг за другом рядами, были параллельны друг другу длинными торцами, и с технологическим интервалом между рядами таким образом, чтобы тень от предыдущего ряда панелей фотоэлектрических модулей при оптимальной высоте Солнца не накрывала последующего ряда, а технологический интервал внутри рядов между панелями составлял не более 0,1…0,15 длины панели фотоэлектрического модуля [Бурков Л.Н. Способ размещения панелей солнечных батарей // Патент России №2285209 С1. 2006. Бюл. №28 - прототип].
Указанный способ имеет существенный недостаток, заключающийся в том, солнечная станция с установленными таким способом панелями никогда не сможет обеспечить график выработки электроэнергии, соответствующий графику нагрузки.
Предлагаемым изобретением решается задача разработки такого способа компоновки фотоэлектрических панелей в солнечной электрической станции, который обеспечивал бы генерацию электрической энергии согласно заданному графику потребления электрической энергии с учетом изменения величины и временного размещения максимума инсоляции при различной пространственной ориентации с использованием фотоэлектрических панелей различной мощности.
Достижение указанного технического результата осуществляется таким подходом к выбору мощности, количества и пространственной ориентации фотоэлектрических панелей, который предусматривает, что панели в солнечной электростанции устанавливаются стационарно; располагаются в ряд (или несколько рядов) в направлении с севера на юг; количество, мощность и пространственная ориентация панелей выбраны таким образом, чтобы электрическая энергия вырабатывалась с допустимым заданным отклонением от суточного графика нагрузки для конкретного дня года. При этом пространственная ориентация фотоэлектрических панелей (положение р) для каждого часа определяется исходя из критерия максимума значения часовой суммы суммарного солнечного излучения в момент времени t:
.
Количество фотоэлектрических панелей f-типа в p-положении , а также тип фотоэлектрической панели определяются исходя из критерия максимума вырабатываемой электрической энергии за сутки:
,
где: , ,  - соответственно часовые суммы прямой, рассеянной и отраженной составляющих солнечной радиации для n дня в момент времени t на наклоненную под углом β к горизонту и ориентированную по сторонам света по углом γ поверхность согласно положения p;
фп
фп
2
S, η - площадь (м) и кпд фотоэлектрической панели f-типа
Ограничение в процессе решения данной задачи оптимизации включает следующее:
1.  является целым и положительным.
2. Тип фотоэлектрической панели f варьируется в рамках ассортимента фотоэлектрических панелей, представленного на рынке.
3. Значение угла наклона принимающей поверхности относительно горизонта лежит в пределах 0°…90°.
4. Значение угла ориентации принимающей поверхности по сторонам света лежит в пределах -90°…90°.
5. С точки зрения технической возможности реализации полученных решений точность расчетов ограничивается целыми значениями величины β и γ.
6. Допустимое отклонение значений мощности, генерируемой и потребляемой для момента времени t должно лежать в пределах от 0…δ, % (δ задается проектировщиком согласно требованиям к режиму генерации).
В соответствии с предлагаемым способом фотоэлектрические панели устанавливаются в ряд в направлении с севера на юг. Каждая из выбираемых фотоэлектрических панелей имеет свой тип f, соответствующие ему мощность Р (Вт), размеры а×b (мм), КПД η (%), пространственную ориентацию, а именно: расположение относительно горизонта под углом β (град.) и сторон света под углом γ (град.).
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен вид с северо-востока на фотоэлектрические панели, установленные согласно предложенному способу.
На фиг. 2 - вид сверху на фотоэлектрические панели, установленные согласно предложенному способу.
На фиг. 3 в качестве примера представлен суточный график генерации и потребления электрической энергии для n=172, где кривая 1 - суточный график выработки электрической энергии фотоэлектрическими панелями, представленными на фиг. 1; 2 - график нагрузки за заданные сутки. Кривая 2 на фиг. 3 является графиком нагрузки перерабатывающего предприятия, форма которого характерна для сельскохозяйственного потребителя - имеет утренний и вечерний максимумы. Отклонение графика генерации (кривая 1) от графика потребления электрической энергии (кривая 2) в течение всего дня является допустимым и не превышает 6,7%, а количество генерируемой за сутки электроэнергии на 2,7% превышает суточную нагрузку. График выработки электрической энергии имеет два максимума, как и график нагрузки: в 11.00 и 18.00 часов, несмотря на то, что пик интенсивности инсоляции приходится на 13.00-14.00 часов.
Преимуществом использования заявляемого решения при проектировании и оценке производительности солнечной электростанции без слежения за Солнцем является то, что оно позволяет подобрать параметры и пространственную ориентацию фотоэлектрических панелей в составе электростанции так, чтобы выработка электрической энергии соответствовала заданному графику нагрузки конкретного объекта, что позволило бы исключить использование дополнительных устройств генерации или аккумулирования электрической энергии для компенсации разнородности таких графиков, а также повысить степень утилизации приходящегося солнечного излучения путем определения оптимального пространственного положения фотоэлектрических панелей для каждого часа.