КОНСТРУКЦИЯ СИСТЕМЫ КОНЦЕНТРАТОРНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
DESIGN OF SYSTEM OF CONCENTRATOR PHOTOVOLTATIC PLANTS

Настоящее изобретение относится к области солнечной энергетики и, в частности, к солнечным энергетическим установкам с концентраторами солнечного излучения и системами слежения, применяемым, например, в составе электростанций, предназначенных для выработки электроэнергии путем фотоэлектрического преобразования солнечной энергии.
В настоящее время в связи с ухудшающейся экологической обстановкой, ростом стоимости топлива, трудностями в его доставке и истощением природных запасов мировым сообществом все большее внимание уделяется технологиям в области возобновляемых источников энергии и, в частности, солнечной энергетике. Солнечная энергия обладает рядом достоинств - это неисчерпаемый, экологически чистый источник с высоким энергетическим потенциалом, определяемым близкой к 6000 К радиационной температурой. Однако солнечному излучению присущ один существенный недостаток - низкая плотность, обусловленная удаленностью Земли от Солнца, и, как следствие этого, необходимость использовать установки с большой площадью световоспринимающей поверхности для получения электроэнергии. Решением этой проблемы могут стать высокоэффективные многопереходные каскадные гетероструктуры, экономически выгодное применение которых возможно лишь совместно с концентраторами солнечного излучения, обеспечивающими кратности концентрирования 500-1000. Сегодня установки с концентраторами солнечного излучения и многопереходными элементами широко применяются в составе крупных солнечных электростанций, насчитывающих десятки и сотни таких установок, вырабатывающих электроэнергию для передачи в центральную систему электроснабжения. Близкое расположение установок в электростанции приводит к возникновению взаимного затенения их световоспринимающих поверхностей и уменьшению вырабатываемой мощности. Особенно этот эффект заметен на восходе и заходе Солнца, когда панели солнечной установки располагаются практически вертикально. Существенно сократить затенение и потери вырабатываемой электроэнергии можно, увеличив расстояние между установками в несколько раз, что в некоторых случаях оказывается невозможным, вследствие ограничений по площади площадки под станцию, большой стоимости земли, трудностями и потерями при коммутации сильно разнесенных в пространстве установок и т.д. Актуальной задачей является корректный выбор расстояния между установками, при котором обеспечиваются минимальные, не превышающие заданного значения при затенении потери энергии, вырабатываемой электростанцией, при минимальной занимаемой ею площади земли.
Известна солнечная электростанция на основе следящих за Солнцем фотоэлектрических установок (см. патент US 7381886, МПК H01L 31/0232, опубл. 03.06.2008), размещаемых в виде прямоугольной решетки так, что расстояние между соседними фотоэлектрическими установками в направлении с севера на юг меньше расстояния между соседними фотоэлектрическими установками с запада на восток. Приведены конкретные расстояния для размещения солнечных установок заданного размера и конфигурации.
Недостаток известного решения заключается в невозможности применения рекомендуемых расстояний для установок отличного размера и формы.
Известна солнечная электростанция на основе следящих за Солнцем фотоэлектрических установок (см. М.Garcia et. al. Partial Shadowing, MPPT Performance and Inverter Configurations: Observations at Tracking PV Plants, опубл. в 2008), размещаемых в виде прямоугольной решетки, в которой фотоэлектрические установки располагают на расстоянии 17 м в направлении с севера на юг и 14 м с востока на запад,
Недостаток известного решения заключается в том, что выбор меньшей дистанции между установками с востока на запад, чем с севера на юг, ведет к завышению потерь энергии на восходе и закате Солнца. Кроме того, большее расстояние между установками в направлении с севера на юг приводит к увеличению площади поверхности земли, требуемой для размещения электростанции.
Известна солнечная электростанция на основе следящих установок, состоящих из нескольких фотоэлектрических модулей (см. заявка US 20080236570, МПК F24J 2/38, опубл. 02.10.2008), в которой установки располагают параллельными рядами так, что расстояния между центрами соседних установок образуют равносторонний треугольник, длина стороны которого определяется с использованием среднего значения фактора затенения. Высота установки не должна превышать 2,5 м, соотношение длины и высоты установки устанавливается в диапазоне от 1:1,5 до 1:10.
Недостаток известной солнечной электростанции заключается в том, что выбранные расстояния между установками не гарантируют получения максимальной энергопроизводительности электростанции, так как эти расстояния определяют по среднему значению фактора затенения, вследствие чего не может быть адекватно оценено затенение установок в утренние и вечерние часы дня. Кроме того, ограничение предельной высоты установки в 2,5 м не позволяет применять известное решение при размещении установок большой мощности и, соответственно, большего размера.
Известна солнечная электростанция, состоящая из панелей фотоэлектрических модулей (см. патент RU 2285209, МПК F24J 2/00, опубл. 10.10.2006), в которой модули размещают друг за другом рядами так, чтобы они были параллельны друг другу длинными торцами, и с технологическим интервалом между рядами, таким чтобы тень от предыдущего ряда панелей фотоэлектрических модулей при оптимальной высоте Солнца не накрывала последующего ряда, а технологический интервал внутри рядов между панелями выполняют не более 0,1…0,15 длины панели фотоэлектрического модуля.
Недостатком известной солнечной электростанции является взаимное затенение панелей фотоэлектрических модулей в течение всего года, особенно в утренние и вечерние часы. Кроме того, расстояния между фотоэлектрическими модулями, принятые в известной солнечной электростанции, не могут быть применены в случае использования следящих за Солнцем фотоэлектрических установок, так как предлагаемое расстояние между установками в ряду слишком мало для их свободного безаварийного движения.
Известна система концентраторных фотоэлектрических установок (см. Р.Perez. Solar FieldOptimization, опубл. в 2008), которые размещены друг за другом с севера на юг на расстоянии 18 м и с запада на восток на расстоянии 26 м.
2
Недостаток известного решения заключается в том, что выбор указанных дистанций произведен для установок конкретного размена 7х7 м. Расчеты, подтверждающие корректность размещения, выполнены лишь для одного дня каждого месяца и требуют уточнения и учета влияния реальных условий эксплуатации установки в каждый час года.
зв
сю
Наиболее близким к заявленному техническому решению по совокупности существенных признаков является система концентраторных фотоэлектрических установок (см. патент 2395758, МПК F24J 2/42, опубл. 27.07.2010), принятая за прототип. Известная система концентраторных фотоэлектрических установок состоит из следящих за Солнцем концентраторных фотоэлектрических установок, размещаемых в виде прямоугольной решетки с расстоянием Х между соседними концентраторными фотоэлектрическими установками в направлении с запада на восток, большим расстояния Х между соседними концентраторными фотоэлектрическими установками в направлении с севера на юг, выбираемыми в зависимости от географической широты φ пункта размещения системы и площади световоспринимающей поверхности концентраторной фотоэлектрической установки. Выбор расстояния между установками осуществляют по представленным зависимостям, аппроксимирующим данные расчета снижения электроэнергии, вырабатываемой системой концентраторных фотоэлектрических установок, вследствие затенения световоспринимающей поверхности установок.
2
Недостаток известной системы концентраторных фотоэлектрических установок (прототипа) заключается в том, что приведенные зависимости для оценки расстояний между концентраторными фотоэлектрическими установками получены без учета изменения энергетических характеристик этих установок в реальных условиях эксплуатации, когда плотность потока и спектральный состав солнечного излучения отличны от стандартных 1000 Вт/м и AM 1,5. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования показали, что КПД фотоэлектрических установок с многопереходными элементами и концентраторами излучения падает почти в 2 раза при больших значениях атмосферной массы в утренние и вечерние часы дня. В эти периоды, как было отмечено ранее, затенение установок максимально. Проведенные в прототипе расчеты без учета влияния реальных условий эксплуатации на энергетические характеристики солнечных установок завышают потери энергии в утренние и вечерние часы дня, и для снижения этих потерь требуется большая площадь поверхности земли для размещения концентраторных фотоэлектрических установок.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка такой системы концентраторных фотоэлектрических установок, которая бы обеспечивала максимальную энергопроизводительность концентраторных фотоэлектрических установок в реальных условиях эксплуатации с учетом требований по допустимым потерям энергии вследствие затенения и минимальной площади поверхности земли для размещения указанной системы на заданной широте φ пункта размещения солнечной электростанции.
сю
зв
сю
зв
Поставленная задача решается тем, что система концентраторных фотоэлектрических установок состоит из следящих за Солнцем концентраторных фотоэлектрических установок, размещаемых в виде прямоугольной решетки с расстоянием Х между соседними концентраторными фотоэлектрическими установками в направлении с севера на юг и расстоянием Х между соседними концентраторными фотоэлектрическими установками в направлении с запада на восток. Расстояния Х и Х удовлетворяют одновременно соотношениям:
где а - длина световоспринимающей поверхности концентраторной фотоэлектрической установки, м;
b - ширина световоспринимающей поверхности концентраторной фотоэлектрической установки, м;
2
2
В=0,0026·φ-0,0584·φ+4,047 - безразмерный коэффициент для определения площади земли, необходимой для размещения 1 мсветовоспринимающей поверхности концентраторной фотоэлектрической установки; при таком значении В потери энергии вследствие затенения не превышают 5%,
св
2
S - площадь световоспринимающей поверхности концентраторной фотоэлектрической установки, м;
сэ
а площадь S земли для размещения системы концентраторных фотоэлектрических установок удовлетворяет соотношению:
где: N - количество концентраторных фотоэлектрических установок, шт.
сю
зв
сю
Х, Х выбирают в зависимости от географической широты φ пункта размещения системы концентраторных фотоэлектрических установок и площади световоспринимающей поверхности концентраторной фотоэлектрической установки. При этом расстояние Х должно обеспечивать технологическое требование по свободному вращению концентраторных фотоэлектрических установок.
Каждая концентраторная фотоэлектрическая установка может быть собрана из фотоэлектрических модулей.
Световоспринимающая поверхность каждой концентраторной фотоэлектрической установки может быть выполнена в виде плоскости или в виде ступеней.
У системы концентраторных фотоэлектрических установок концентраторные фотоэлектрические установки могут располагаться на земле или на крыше здания.
Указанные выше соотношения для выбора расстояний между концентраторными фотоэлектрическими установками обеспечивают максимальную энергопроизводительность системы концентраторных фотоэлектрических установок.
2
2
Если В больше, чем 0,0026·φ-0,0584·φ+4,047, то затенение установками друг друга минимально, но необходимая для размещения системы концентраторных фотоэлектрических установок площадь поверхности земли существенно возрастает. Если В меньше, чем 0,0026·φ-0,0584·φ+4,047, то увеличивается взаимное затенение установок, особенно в утренние и вечерние часы, и концентраторные фотоэлектрические установки в составе системы концентраторных фотоэлектрических установок неэффективно функционируют, а также имеются значительные потери электроэнергии.
сю
сю
Если Х больше, чем 0,0105·φ+1,42, то расстояния между установками в направлении с севера на юг увеличатся и затенение установок в дневные часы уменьшится, если Х меньше, чем 0,0105·φ+1,42, то установки не смогут свободно вращаться друг относительно друга.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 схематично изображена система концентраторных фотоэлектрических установок;
на фиг.2 показан вид сзади на концентраторную фотоэлектрическую установку;
на фиг.3 приведен вид сбоку на концентраторную фотоэлектрическую установку;
2
сю
на фиг.4 приведена номограмма изменения площади земли для размещения 1 м световоспринимающей поверхности концентраторной фотоэлектрической установки в зависимости от расстояния между концентраторными фотоэлектрическими установками в направлении с севера на юг Х для широты места φ=5÷30° и потерь энергии вследствие затенения, не превышающих 5%;
2
сю
на фиг.5 приведена номограмма изменения площади земли для размещения 1 м световоспринимающей поверхности концентраторной фотоэлектрической установки в зависимости от расстояния между установками в направлении с севера на юг Х для широты места φ=35÷60° и потерь энергии вследствие затенения, не превышающих 5%;
на фиг.6 представлен график изменения величины коэффициента В в зависимости от широты места φ для потерь энергии вследствие затенения, не превышающих 5%;
на фиг.7 приведен вид в аксонометрии концентраторной фотоэлектрической установки со ступенчатой световоспринимающей поверхностью.
сю
зв
зв
сю
зв
сю
св
св
сэ
св
Заявляемая система концентраторных фотоэлектрических установок (см. фиг.1) содержит следящие за Солнцем концентраторные фотоэлектрические установки 1, размещаемые в виде прямоугольной решетки 2. Соседние концентраторные фотоэлектрические установки 1 расположены друг от друга на расстоянии Х в направлении с севера на юг и на расстоянии Х в направлении с запада на восток. Расстояние Х при оптимальном размещении концентраторных фотоэлектрических установок больше расстояния Х. Абсолютную величину Х и Х определяют по приведенным выше соотношениям. Каждая фотоэлектрическая установка 1 с площадью световоспринимающей поверхности S занимает площадь 3 поверхности земли, равную В·S. Общая площадь системы концентраторных фотоэлектрических установок S равна N·B·S. Концентраторная фотоэлектрическая установка 1 (см. фиг.2, фиг.3, фиг.7) состоит из световоспринимающей поверхности 4, опоры 5, системы 6 слежения за Солнцем по азимуту и системы 7 слежения за Солнцем по зениту. Примеры зависимости коэффициента В от географической широты φ пункта размещения системы концентраторных фотоэлектрических установок приведены на фиг.6 для потерь энергии вследствие затенения 5%. Номограммы, отражающие изменение В в зависимости от географической широты φ места эксплуатации системы концентраторных фотоэлектрических установок, представлены на фиг.4 и на фиг.5. Номограммы на фиг.4 и на фиг.5 позволяют в зависимости от располагаемого участка земли или крыши подобрать форму поверхности под размещение концентраторной фотоэлектрической установки либо квадратную, либо прямоугольную, вытянутую с севера на юг или с запада на восток, для потерь энергии, не превышающих 5%.
зв
сю
сэ
сю
При работе настоящей системы концентраторных фотоэлектрических установок входящие в ее состав концентраторные фотоэлектрические установки 1 осуществляют непрерывное слежение за положением Солнца на небосводе, в результате чего солнечное излучение с помощью концентраторов фокусируется на высокоэффективном многопереходном элементе, который преобразует излучение в электроэнергию. Вырабатываемая системой концентраторных фотоэлектрических установок электрическая мощность подается в центральную систему электроснабжения. Соседние концентраторные фотоэлектрические установки размещают на расстоянии Х и Х друг от друга, что обеспечивает максимально эффективную работу системы концентраторных фотоэлектрических установок с годовыми потерями энергии вследствие затенения, не превышающими 5%, при занятии минимальной площади S поверхности земли. Расстояние между установками Х позволяет осуществлять вращение концентраторной фотоэлектрической установки при слежении за Солнцем.
Использование настоящего решения при проектировании и оценке энергопроизводительности системы концентраторных фотоэлектрических установок в различных регионах России позволило подобрать параметры оптимального размещения концентраторных фотоэлектрических установок в составе системы, обеспечивающего минимальную площадь занятой земли, при потерях вырабатываемой энергии, не превышающих 5% или 10% в год.
2
2
зв
сю
Как показывают расчеты, следящая концентраторная фотоэлектрическая установка в составе системы установок, расположенной в пункте Краснодар (с координатами - 45° с.ш., 39° в.д.), с площадью световоспринимающей поверхности 4 м (2×2 м) и КПД=25%, при потерях энергии, не превышающих 5%, и оптимальном размещении Х=6,84 м и Х=3,8 м за год может вырабатывать 1067 кВт·ч электроэнергии.