ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

РАЗМЕЩЕНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ СИСТЕМ

Ранее (в главе 6) мы рассмотрели работу фотоэлектрических солнечных электростанций (СЭС) как соединенных с сетью, так и функционирующих ав­тономно, т. е. без связи с сетью. Теперь рассмотрим весьма важный вопрос о способе размещения солнечных систем, входящих в СЭС.

При формировании солнечной станции любого размера и любой мощно­сти от небольшой энергетической системы в несколько киловатт до мощной станции в десятки мегаватт всегда большое значение придается месту и спосо­бу размещения солнечных систем, входящих в СЭС.

Практика показывает, что фотоэлектрические модули устанавливаются на крышах и фасадах зданий и сооружений, непосредственно на грунте вблизи объекта или в любом удобном месте, выбор которого диктуется сложившимися условиями.

Эстетику встраивания фотоэлектрических модулей в окружающую среду или в качестве компонентов сооружений можно было бы назвать «солнечной архитектурой», той областью, которая в настоящее время бурно развивается.

Примеры установок солнечных систем можно видеть на рис. 18.29 - 18.39. Эти примеры, далеко не исчерпывающие варианты, возможные на практике, показывают, что солнечные системы можно устанавливать в самых разных мес­тах как стационарно, так и в перемещаемом (периодически) или даже движу­щемся (например, транспортное средство) вариантах.

Сооружения, на которые устанавливаются солнечные модули, принято называть платформами (стендами). При этом принципиальным является во­прос, устанавливаются эти платформы стационарно (неподвижно), без измене­ния изначально заданного положения относительно Солнца при его движении, либо таким образом, чтобы платформа с установленными на ней солнечными модулями могла перемещать таким образом, чтобы обеспечить оптимальное расположение солнечной системы по отношению к Солнцу в процессе его дви­жения по небосклону. Первые платформы принято называть «неследящими», вторые называют платформами со слежением или следящими платформами.

При проектировании и строительстве солнечных систем необходимо обес­печить достижение максимальной эффективности их работы. При монтаже сол­нечных модулей на неследящий стенд важен правильный выбор ориентации и угла наклона фотоэлектрических модулей. Обычно принимается направленная на юг азимутальная ориентация. Угол наклона в этом случае выбирается с уче­том географической широты таким образом, чтобы в полдень солнечное излуче-

ниє поступало перпендикулярно к поверхности модуля, то есть угол падения в полдень был бы равен нулю. Если тыльная поверхность модуля не установлена непосредственно у стены, можно увеличить выработку энергии, используя дву­сторонние модули, описанные ранее. Такие фотоэлектрические модули пред­ставлены на рис. 18.24. Двусторонние модули используют радиацию, отражен­ную от грунта или зданий и поступающую на тыльную сторону панелей. Эффек­тивность двусторонних модулей существенно зависит от отражательной способ­ности материалов окружающей среды. Например снег, кварцевый песок и бетон сильно отражают солнечную радиацию, тогда как трава или почва отражают солнечный свет менее активно. Некоторые материалы, такие как черная скальная порода, имеют чрезвычайно низкую отражательную способность.

При заданной отражательной способности материалов в заданном месте установки модулей может получиться так, что перпендикулярная ориентация модулей относительно солнечного излучения окажется не оптимальной, осо­бенно тогда, когда Солнце находится низко. В таких условиях, по-видимому, лучше выбрать угол установки модулей ближе к вертикали.

Чтобы гарантировать максимальную эффективность солнечных систем, рекомендуется угол установки модулей изменять по крайне мере дважды в год для адаптации к условиям работы зимой и летом. Во многих случаях на практике требуется обеспечить постоянное потребление энергии в течение всего года. Ес­ли изменять угол установки модулей в течение года невозможно, фотоэлектри­ческая система обычно оптимизируется для зимних условий работы, когда ин­тенсивность солнечного излучения минимальна. Летом генерация производимой фотоэлектрическими модулями электроэнергии обычно удваивается. Для усло­вий Центральной Европы, к примеру, оптимальным представляется угол 50° се­верной широты. Для декабря, когда интенсивность солнечного излучения явля­ется самой низкой в Центральной Европе, рис. 14.1 иллюстрирует выработку солнечного модуля как функцию выбранного угла ее установки как для стан­дартных (односторонних), так и для двусторонних модулей [15]. В данном слу­чае оптимальная ориентация для двусторонних модулей ближе к вертикальной.

Из рисунка также видно, что зимой двусторонние модули обеспечивают выработку примерно на 25% больше, чем стандартные односторонние модули. Это можно объяснить следующим образом: при наибольшей степени верти­кальной ориентации существенная доля отраженной радиации падает на тыль­ную сторону двустороннего модуля, в то время как снижение интенсивности прямой радиации, поступающей на лицевую сторону, не столь значительно по сравнению с оптимальным значением. Необходимо иметь в виду, что проекция плоскости модуля на плоскость, перпендикулярную падающей солнечной ра­диации, зависит от косинуса угла падения, т. е. S = S0 cos <р, где S0 - площадь панели, а ср - угол падения (см. рис. 14.4).

В обоих случаях различие между оптимальным и вертикальным положе­нием не является слишком большим. Вертикальное положение модулей имеет другое преимущество - снег и грязь не осаждаются на их вертикальных по­верхностях.

Ориентация двусторонних модулей влияет на их полную выработку в го­раздо меньшей степени, чем ориентация стандартных модулей. Это показано на рис. 14.2.

В некоторых случаях, когда ориентация модулей ограничена проектными возможностями, это обстоятельство может оказаться существенным. Например формы звуковых барьеров вокруг дорог и шоссе должны следовать за курсом дороги. Не все дороги построены таким образом, что южная ориентация моду-

лей представляется возможной. Для двусторонних модулей даже вертикальная ориентация на север не уменьшает значительно выработку, поскольку в этом случае тыльная сторона ориентирована на юг. Эффективность фотоэлектриче­ского преобразования солнечной энергии в этом случае ниже, но, как видно из рис. 14.2, различие составляет только 20 - 25 %. Поскольку число примеров ис­пользования фотоэлектрических установок с беспорядочно ориентированными модулями постоянно возрастает (например, доски объявлений, звуковые барье­ры вдоль дорог и т. д.), двусторонние модули представляются все более и более привлекательными. Удельный вес двусторонних модулей (против стандартных) в последнее время значительно увеличился.

Рис. 14.3 представляет вариант размещения фотоэлектрической системы среднего размера, непосредственно связанной с электрической сетью. Верхняя часть системы состоит из наклонных двусторонних фотоэлектрических моду­лей, центральная часть состоит из вертикальных двусторонних модулей и ниж­няя часть системы имеет наклоненные стандартные модули. На рис. 18.31 и 18.32 представлены мобильные фиксированные (неследящие) модули, исполь­зуемые в Антарктиде.

Проблемы, связанные с применением следящих платформ для солнечных энергетических систем, в последнее время активно и всесторонне широко изу­чались, потому что это может значительно увеличить эффективность систем с солнечными фотоэлектрическими модулями за счет увеличения выработки энергии и уменьшения вследствие этого их стоимости [16]. Как было показано в главе 4, максимальная интенсивность энергии Солнца, поступающая к пло­ской поверхности, расположенной перпендикулярно потоку солнечной радиа­
ции, составляет / = 1100Вт м-2. Предполагая, что высококачественные элемен­ты на основе кристаллического кремния имеют эффективность приблизительно 18-20 % , максимальную выработку для модуля с поверхностью S = 1 м можно ожидать равной Рмак1. = 200 Вт. Эта величина уменьшается при подаче потока солнечного излучения под углом. Если мы установим систему, отслеживаю­щую положение Солнца, с модулем, располагаемым таким образом, чтобы его поверхность всегда оставалась перпендикулярной к потоку солнечной радиа­ции, то объем выработанной энергии W будет выше, а его величина будет опре­деляться выражением

W = Pdt.

At

Теоретические вычисления выполнены следующим образом. Предполо­жим, что максимальная энергия солнечного излучения, поглощенная плоско­стью, перпендикулярной потоку солнечного излучения, составляет величи­ну/ = 1100 Вт м“2. Примем среднюю продолжительность светового дня (то есть случай, когда Солнце выше горизонта) / = 12 часов = 43 200 сек. Теперь сравним модуль с активной площадью S„, отслеживающий Солнце идеально, с неподвижным модулем того же размера, который перпендикулярен солнечному излучению только в полдень.

а) Для неподвижного модуля проекция его площади на плоскость, пер­пендикулярную потоку солнечного излучения, имеет значение

S = So cos (р,

(рис. 14.4). В течение дня угол падения изменяется в ин - j. Угловая скорость передвижения Солнца в небе

(о = 2л! Т = 7.27x1 (Г5 сч.

Дифференциал падающей энергии - d W = IS d t. Пренебрегая атмосфер­ными эффектами, энергию, поглощенную поверхностью модуля площадью So = 1 м2 в день, можно выразить так:

+21600

W = l S0 cosmtdt = IS0 -21600

= 3,03 x 10[2] [3] Вт ■ сек = 8,41 кВт ■ час.

S0

Рис. 14.4. Проекция солнечного модуля на плоскость,
перпендикулярную направлению потока солнечной радиации

Полдень

I#0

Утро вечер

Рис. 14.5. Схема движения Солнца по небосклону зимой и летом

Если пренебречь атмосферными эффектами, то увеличение поступающей солнечной энергии (после перемножения эффективности и произведенной энер­гии) составит 57 %.

Такое увеличение могло бы быть получено, например, на поверхности Луны. В земных условиях мы должны учитывать, что после восхода Солнца и до его заката солнечные лучи должны пройти через толстый слой атмосферы.

Следовательно, в этом случае интенсивность солнечной энергии, падаю­щей на поверхность, перпендикулярную направлению солнечной радиации, бу­дет намного ниже, чем в полдень. Кроме того, Солнце может быть выше гори­зонта более, чем 12 часов ежедневно, в более высоких географических широ­тах. Влияние диффузионной околосолнечной радиации и диффузионной изо­тропной радиации в таких случаях также должно быть учтено. Увеличенная произведенная энергия может составлять максимум 40% на поверхности Земли и максимум 30 % для условий Чешской республики - эти величины были про­верены экспериментально.

Вышеуказанные рассуждения легче представить, если проследить за дви­жением Солнца по небосклону. На рис. 14.5 представлена схема движения Солнца по небосклону в зимний и летний периоды. Из этой схемы нетрудно понять, какую роль играет правильный выбор угла установки солнечных модулей

в стационарных неследящих системах, а также изменение толщины атмосфер­ной массы в течение светового дня. Атмосферная масса при нахождении Солн­ца в зените строго перпендикулярно по отношению к воспринимающей по­верхности обозначается как АМ1. В космосе, где атмосфера отсутствует, атмо­сферная масса обозначается как АМО. Реально для обычных усредненных рас­четов величина атмосферной массы принимается равной AM 1,5.

Важно рассмотреть максимальный угол вращения системы. Мы уже от­метили, что после восхода и до заката Солнце светит через толстый, меняю­щийся во времени, слой атмосферы. Поэтому очевидно, что на поверхности Земли нет необходимости отслеживать полный диапазон углов ± 90 °.

Из приведенного на рис. 14.6 графика видно, что слежение за Солнцем по диапазону углов более чем і 60°, существенно не влияет на объем выработан­ной энергии [2, 14].

Технические средства, обеспечивающие перемещение платформы с рас­положенными на ней солнечными модулями, называют системами слежения. Некоторые конструкции таких систем будут рассмотрены в следующих главах.