Влияние азимута на производство солнечной энергии

Результаты таких исследований могут быть использованы в различных секторах фотоэлектрической энергетики, таких как алгоритмы обнаружения неисправностей фотоэлектрической системы, прогнозирование, мониторинг, анализ работоспособности и надежности

Выходная мощность фотоэлектрической системы сильно зависит от погодных условий, таких как скорость ветра, колебания влажности, температуры и интенсивности солнечного излучения. Еще она зависит от некоторых других факторов, таких как пыль/грязь, снег и микротрещины. И кроме этого, в увеличении годового производства энергии важную роль играют углы наклона и азимута фотоэлектрических установок.

В ранних исследованиях, для оценки оптимальных углов наклона в разных местах, использовались эмпирические уравнения, связанные только с локальной высотой. Позднее прозвучало, что фотоэлектрические модули следует устанавливать с углом наклона на 2,8° больше, чем широта.

В 2017 году был предложен анализ оптимального угла наклона для загрязненных фотоэлектрических панелей. Было обнаружено, что оптимальный угол наклона в пыльных погодных условиях составляет от 25,89° до 26,06°.

Был определен оптимальный угол наклона для фотоэлектрических панелей в Саудовской Аравии. Установлено, что угол необходимо менять в течение года, чтобы появилась возможность увеличения общего производства энергии фотоэлектрическими системами, как минимум, на 6,38%.

В других исследованиях было предложено несколько рекомендаций для фиксированных углов наклона и азимута, основанных на различных местоположениях для следующих стран: Южная Африка, Северная Ирландия, Индия, Иран, США, Турция и Объединенные Арабские Эмираты.

В различных исследованиях по оптимизации углов наклона рассматривалось влияние облачности, охлаждения и скорости ветра, максимизации излучения на плоских коллекторах, оптимизации индекса чистоты, переноса излучения, максимизации различных солнечных излучений в разных географических точках. Эти методы используются для составления соответствующей карты для углов наклона и азимутальной установки фотоэлектрических систем и увеличения годовой выработки энергии.

В 2018 году были предложены две прогностические модели для разработки одноосной системы слежения, которая могла бы определять оптимальное положение фотоэлектрических панелей. Исследование проводилось на некоторых станциях Европейской базовой наземной радиационной сети в 2015 году.

И все же до сих пор недостаточно эмпирических данных, основанных на наблюдении за различными фотоэлектрическими системами, установленными в различных регионах планеты. Кроме этого, имеется мало исследований о влиянии азимутального угла фотоэлектрических установок, основанных на годовой выработке энергии в течение нескольких лет и более, что позволило бы сделать соответствующий вывод для составления документации по идеальному углу. Поэтому необходимо заполнить этот пробел в знаниях.

Угол наклона - это угол фотоэлектрических модулей от горизонтальной плоскости для фиксированной (не отслеживаемой) установки, тогда как азимутальный угол - это угол фотоэлектрических модулей относительно южного направления: -90° - к востоку; 0° - к югу и +90° - к западу.

Обычно операторы/установщики фотоэлектрических систем используют онлайн-приложение для определения оптимального азимутального угла. Однако в жилых районах это не работает, так как крыша зафиксирована и не является гибкой.

Эта проблема была исследована, а результаты опубликованы в 2013 году. Была разработана новая методология оценки солнечного потенциала на нескольких крышах зданий для фотоэлектрических панелей. Методология учитывает входные параметры, такие как ориентация поверхности, эффекты затенения, высота и атмосферные условия, которые влияют на интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли. Методология была применена для примерно 212 000 зданий в округе Нокс, штат Теннеси, США.

Позже, в 2017 году, был разработан другой метод оценки потенциальной энергии фотоэлектрических систем на крыше, основанный на угле наклона и азимута. Метод был реализован в Южной Корее, где для 27 774 зданий был определен физический, географический и технический потенциал размещения солнечных панелей. Это помогло понять, сколько вообще можно произвести энергии, располагая ограниченной площадью крыш, при наиболее эффективном пространственном размещении солнечных элементов.

Неудачное значение азимутального угла может привести к значительным потерям выходной мощности, а также внести риск появления в фотоэлектрической системе различных неисправностей. Ошибки фотоэлектрических систем могут быть компенсированы с помощью различных методов, таких как интеллектуальная система диагностики неисправностей на основе случайной выборки, которая способна обнаруживать множественные ошибки в массивах солнечных ферм.

Результаты таких исследований могут быть использованы в различных секторах фотоэлектрической энергетики, таких как алгоритмы обнаружения неисправностей фотоэлектрической системы, прогнозирование, мониторинг, анализ работоспособности и надежности.

Методология

В большинстве инструментов для расчета энергии солнечной фотоэлектрической системы азимутальное значение, равное нулю, обращено к экватору как в северном, так и в южном полушариях; +90° градусов направлен на запад и -90° градусов направлен на восток. Угол компаса показывает 180° для юга, 90° для востока и 270° для запада.

В северном полушарии, между 23° и 90°, Солнце всегда на юге. Поэтому модули в массиве направлены на юг, чтобы максимально использовать энергию Солнца. В южном полушарии все наоборот.

Метеорологические условия местоположения - важный фактор. Например, анализ инсоляции на Гавайях показывает, что массив, обращенный на восток, может генерировать больше энергии по сравнению с массивом, обращенным на юг или запад. Причиной могут быть частые полуденные дожди в этом месте.

Для определения оптимального азимута целесообразнее рассматривать различные фотоэлектрические установки с несколькими азимутальными углами. Однако, чтобы достичь этого, необходимо принять во внимание следующие условия:

- Фотоэлектрические установки должны быть не старше 2 лет, поскольку старые фотоэлектрические системы, как правило, имеют высокие показатели деградации, тем самым генерируя меньше энергии в течение многих последующих лет;

- Технология фотоэлектрических модулей - кристаллический кремний. Это условие необходимо для обеспечения идентичности рабочих механизмов фотоэлектрических модулей;

- Исследование фотоэлектрических установок должно основываться на разнице в азимутальном угле. Поэтому все проверяемые фотоэлектрические установки должны иметь одинаковый угол наклона - от 40° до 41°.

 

Источник: Махмуд Димиш, Сантьяго Сильвестре, Оценка влияния изменений азимутальных углов на годовое производство фотоэлектрической энергии, Чистая энергия, Том 3, Выпуск 1, март 2019 года, страницы 47–58, https://doi.org/10.1093/ce/zky022