СПОСОБ КОМПОНОВКИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ СОЛНЕЧНОЙ СТАНЦИИ БЕЗ СЛЕЖЕНИЯ ЗА СОЛНЦЕМ
METHOD OF ARRANGING PHOTOVOLTAIC MODULES OF SOLAR STATION WITHOUT TRACKING THE SUN

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к солнечным электростанциям, создаваемым на базе стационарно установленных фотоэлектрических модулей, без слежения за перемещением Солнца по небосклону и может найти применение при проектировании или модернизации солнечных электростанций в том числе для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей.
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 странам 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, 1st edition, 168 pages, Printed at  Ltd., 26101  Prabram IV., Czech Republic, January 2010, ISBN 978-80-904311-2-6, p. 61].
Недостатком такого способа компоновки фотоэлектрических модулей является то, что при определении технологического интервала между рядами модулей учитывается только их максимальная эффективность функционирования за выбранный период времени и не учитывается удельная выработка электрической энергии с занимаемой модулями площади, которая характеризует рациональное использование территорий под установку солнечных электрических станций.
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, 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 [RU №2285209, F24J 2/00].
Указанный способ имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что солнечная станция с установленными таким способом солнечными батареями потребует достаточно большой площади, так как для обеспечения полной освещенности батарей круглый год (особенно в утренние и вечерние часы зимнего периода) потребуется установить их в ряды на значительном технологическом интервале.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый способ компоновки фотоэлектрических модулей солнечной станции позволяет максимально эффективно утилизировать потенциал солнечной энергии района и рационально использовать территорию под их размещение.
Достижение указанного технического результата осуществляется таким подходом к выбору расстояния между рядами фотоэлектрических модулей, который предусматривает установку модулей рядами друг за другом под заданным углом к горизонту и с технологическим интервалом между рядами, полученным из критерия:
AW'=AW'',
где ΔW' - относительное изменение годовой выработки электрической энергии группой фотоэлектрических модулей, размещенных под углом β относительно горизонта, углом γ по сторонам света и при кратности технологического интервала между рядами k и годовой выработки электрической энергии, сгенерированной тем же количеством модулей, что и для рассматриваемого варианта, только расположенных горизонтально, %:
t,k
где W - выработка электрической энергии группой фотоэлектрических модулей, размещенных с кратностью технологического интервала между рядами фотоэлектрических модулей к их высоте к, кВт⋅ч;
t,0
W - часовая выработка электрической энергии фотоэлектрическими модулями, расположенными горизонтально в месте их размещения, кВт⋅ч;
n - порядковый номер дня;
t - время суток, ч;
ΔW'' - относительное изменение годовой выработки электрической энергии при увеличении кратности технологического интервала между рядами, %:
t,k-1
где W - выработка электрической энергии группой фотоэлектрических модулей, размещенных с кратностью технологического интервала между рядами фотоэлектрических модулей к их высоте k-1, кВт⋅ч.
Исходные данные для оптимизации: географические координаты местности размещения модулей, широта ϕ,°, долгота ω,°; количество рядов Νp и фотоэлектрических модулей в них Ν, шт; пространственная ориентация модулей, угол наклона относительно горизонта β,°, угол наклона по сторонам света γ,°; кратность технологического интервала между рядами фотоэлектрических модулей к высоте модуля (далее - кратность технологического интервала между рядами), k, о.е.; геометрические размеры используемого модуля, Н, м, L, м;
Варьируемые параметры в задаче поиска оптимального расстояния между рядами фотоэлектрических модулей:
- кратность количества модулей в ряду к количеству рядов N/Np = 1:2…1:10;
- угол наклона фотоэлектрического модуля относительно горизонта β = 5…85°;
- предельные значения кратности технологического интервала между рядами k = kmin…kmax, о.е.
Кратность минимального технологического интервала определяется техническими ограничениями размещения модулей и равно:
min
k = cosβ.
Под максимальной кратностью технологического интервала между рядами фотоэлектрических модулей понимается такое ее значение, при котором вся поверхностью модуля будет вырабатывать электрическую энергию и не затеняться при самом низком положении Солнца над землей:
где θ - угол падения солнечного излучения на приемную поверхность,°.
Новые существенные признаки:
1. Технологический интервал между рядами фотоэлектрических модулей солнечной электростанции без слежения за Солнцем определяется с учетом уровня реализуемого потенциала солнечной энергии рассматриваемого района (заданной географической точки) и площади, занимаемого ими участка.
2. Обеспечивается максимальная эффективность функционирования фотоэлектрических модулей с учетом из взаимного и пространственного размещения.
3. Учитываются технические ограничения взаимного размещения рядов фотоэлектрических модулей исходя из угла их наклона относительно горизонта и закономерностей прихода солнечного излучения на приемную поверхность.
4. Учитывается кратность количества модулей в ряду к количеству рядов.
В соответствии с предлагаемым способом фотоэлектрические модули устанавливаются с ориентацией приемных поверхностей на юг.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображено решение задачи оптимизации кратности технологического расстояния между рядами фотоэлектрических модулей, размещенных под углом β = 35° относительно горизонта, углом γ = 0° по сторонам света для Νp/Ν = 1:2.
00
00
На фиг. 2 представлен план расположения и освещенность модулей под углом 35° к горизонту и южной ориентацией при их размещении на оптимальном расстоянии 13 22.07.2017 (а) и 13 23.12.2017 (б) (симуляция проведена в программе PVSOL Premium 2020).
На фиг.3 в качестве примера представлена удельная выработка электрической энергии модулями, размещенными под углом 35° к горизонту южной ориентации (оптимальный угол наклона для рассматриваемой географической точки, позволяющий максимально утилизировать максимальное количество солнечной энергии за год) для различной кратности технологического интервала между рядами фотоэлектрических модулей солнечной станции.
Рассмотрены несколько подходов к размещению рядов фотоэлектрических модулей: 1 вариант - минимальная кратность технологического интервала; 2 вариант - предлагаемый подход; 3 вариант - согласно прототипу.
2
2
Из фиг. 3 видно, что первый вариант при рациональном использовании занимаемой площади характеризуется самой низкой эффективностью работы модулей. Для остальных вариантов компоновки фотоэлектрических модулей солнечной станции удельная выработка электрической энергии относительно площади поверхности модуля примерно одинаковая в виду аналогичных условий его освещенности (разница не превышает 2,2%). Однако, с точки зрения рационального использования местности размещения вариант 2 показывает наибольшую удельную генерацию с 1 м занимаемой площади (121,0 кВт⋅ч/м), что на 55,8% больше, чем для варианта 3.
Преимуществом использования заявляемого решения при проектировании и оценке производительности солнечной электростанции без слежения за Солнцем в условиях Ростовской области Российской Федерации является то, что он позволяет подобрать такой технологический интервал между рядами фотоэлектрических модулей солнечной электростанции без слежения за Солнцем, который позволяет максимально эффективно утилизировать потенциал солнечной энергии района при рациональном использовании территории под их размещение, то есть обеспечить максимальную эффективность функционирования модулей с учетом из взаимного и пространственного размещения.