Как определить оптимальное расстояние между рядами солнечных панелей?

При расположении солнечных панелей рядами они могут затенять друг друга. Какое расстояние между рядами будет оптимальным?

Для разных углов наклона солнечных батарей минимальное расстояние между рядами будет разным. Чем больше угол наклона к горизонту, тем больше должно быть расстояние.

При проектировании PV-системы, которая наклонена или смонтирована на земле, определение подходящего расстояния между каждым рядом может быть затруднительным. Для вычисления оптимального расстояния между рядами нужно провести некоторые несложные расчеты. 

Для начала нужно знать склонение Солнца в различные месяцы года. 

Высота полуденного cолнца в любой точке планеты определяется по формуле:

h = 90° – ф + d, (1)

где h — высота Солнца над горизонтом в полдень; ф — широта места наблюдения; d — солнечное склонение, астрономическая величина, измеряемая в градусах и равная той широте, где cолнце находится в данный момент.

Для дней равноденствия — 21 марта и 23 сентября (cолнце в зените на экваторе) будет иметь место:

h = 90° – ф, (2)

где 90° — угол падения солнечных лучей, то есть широта местности (северная или южная — определяется по тени, отбрасываемой объектами).

Для дней солнцестояния — 22 июня и 22 декабря — имеет место:

h = 90° – ф ± 23,5°, (3)

Необходимо учитывать, что лучи cолнца падают отвесно (под углом 90° на тропик (23,5° с.ш. и 23,5° ю.ш.).

22 июня в Северном полушарии используется формула:

90° –  (α – 23,5°) = a. (4)

22 декабря в Северном полушарии используется формула:

90° – (α + 23,5°) = a. (5)

Здесь α — угол падения солнечных лучей, a — широта местности.

Например, для 46°41 северной широты угол падения солнечных лучей и оптимальный угол установки солнечных модулей в различное время года (табл. 3).

При расположении конструкций солнечных панелей в несколько рядов, кроме правильной ориентации и угла наклона, очень важным является правильно выбрать расстояние между рядами, чтобы не происходило взаимного затенения поверхности модулей (рис. 2).

Для средней полосы, при оптимальном фиксированном угле наклона, часто используется следующая формула:

d = 3h, (6)

где d — расстояние между рядами, м; h — высота панели под оптимальным углом наклона, м.

Для более точных расчетов используйте наш онлайн-калькулятор ниже.  

6 шагов для определения оптимального расстояния между рядами солнечных модулей

Рассмотрим проблему затенения между рядами. Чтобы прямой луч солнца мог достигать второго, третьего и т. д. рядов, необходимо иметь достаточное расстояние между рядами. Летом наблюдается меньшая длина тени по сравнению с зимой; общее практическое правило заключается в том, чтобы рассчитать минимальное расстояние между рядами, необходимое для того, чтобы панели не затенялись между 10:00 и 14:00 в день зимнего солнцестояния [4], что является хорошим компромиссом между затенением между рядами и шириной рядов. Общее расстояние между панелями F для каждого ряда равно сумме горизонтальной проекции модулей С и расстояния между рядами D.

Алгоритм расчета интервалов между рядами устраняет большинство эффектов затенения между рядами; однако некоторое затенение все еще происходит, в основном в зимние месяцы, а также в очень ранние утренние и поздние вечерние часы. Когда панель находится в полной тени, она по-прежнему получает рассеянное излучение, но больше не получает прямого облучения. С точки зрения фактической выходной мощности панели, частичное затенение представляет собой нелинейную проблему из-за способа соединения фотоэлектрических модулей. Тонкопленочные фотоэлектрические модули менее подвержены частичному затенению по сравнению с кристаллическими фотоэлектрическими модулями [5]. Однако сейчас нас интересует только количество облучения, падающего на поверхность панели, а не количество энергии, производимой панелью.

1. Согласно данным проектирования, выбираем оптимальный угол наклона солнечных панелей к горизонту
2. На основе угла наклона и  размеров панели и их расположения (длинной стороной вертикально или горизонтально) определяем высоту ряда солнечных панелей
3. Определяем ширину ряда солнечных панелей
4. В зависимости от задач, выбираем месяц, начиная с которого солнечные панели не будут затеняться впереди стоящими рядами с 10 до 14 часов дня. Нужно понимать, что зимой в России солнце бывает очень низко,и, если ориентироваться на день зимнего солнцестояния 22 декабря, то расстояние между рядами будет очень большим — 30-40 метров. Конечно же, так устанавливать ряды очень нерационально. С другой стороны, в зимние месяцы выработка солнечных батарей составляет менее 10% от общей выработки за год. Поэтому обычно можно ориентироваться не на декабрь, а на март.
5. По справочникам в зависимости от широты местности установки  определяем высоту солнца над горизонтом для расчетных часов суток.
6. По формуле, приведенной ниже, или при помощи нашего онлайн-калькулятора, определяем расстояние между рядами.

. 

Метод расчета части панели, затененной панелью спереди в разное время, был взят из метода Passias and Källbäck 1984 [6]. Результаты расчетов вы можете посмотреть в [7].

Для расчетов оптимального расстояния между рядами солнечных модулей мы создали калькулятор. 

Однозначного правильного ответа нет, так как высота солнца начинается с нуля утром и заканчивается на нуле вечером. Солнечный свет (излучение) падающий на солнечную батарею состоит из трех компонентов: прямого луча, рассеянного (голубое небо и облачность) и отраженного от земли перед массивом. Здесь мы будем рассматривать только прямой пучок, который затеняется впереди стоящим рядом. Высота солнца в полдень 21 декабря в Северном полушарии в основном составляет 90-23,45 -широта местности (в градусах). В большинстве случаев 90% энергии беспрепятственного излучения происходит, когда высота солнца на 50% больше максимальной высоты в день зимнего солнцестояния [8]. Таким образом, поправка по высоте составляет 50%. Это может быть чрезмерным для рядов, ширина которых менее чем в 4 раза превышают высоту панели. Чтобы найти X (минимальное расстояние между рядами), использовалось приведенное ниже уравнение.

В калькуляторе использовались следующие формулы.

X = L (cos(α)+ (sin (α) * tan (lat + 23.5+(50% поправки к высоте зимой))))

где 
L = длина панели
α= угол наклона панели
lat= географическая широта местности, где установлены панели.

Вычисляемые значения:
Минимальная высота солнца зимой  = 90-23.45-широта местности
Высота для получения незатененных солнечных модуле 90% времени в течение года достигается добавлением 50% к минимальной высоте зимой.

Как видим, расстояние между рядами солнечных модулей по калькулятору получается гораздо больше, чем рекомендуется в [1] (см. формулу (6) выше). Поэтому для уменьшения расстояния между рядами и снижения потерь выработки энергии солнечными батареями из-за затенения впереди стоящими рядами, в России рекомендуется применять солнечные панели, которые незначительно снижают мощность при частичном затенении, а именно модули из половинных элементов (half-cell) и «чешуйчатые» (shingled), Более подробно об этих новых модулях можно узнать в нашей статье «Современные солнечные элементы и модули«.

Если вы готовы согласиться с потерями выработки энергии в зимние месяцы, вы можете уменьшить расстояние между рядами солнечных батарей согласно расчетам этого калькулятора [3], в котором можно выбрать месяц, для которого рассчитывается расстояние без затенения рядов модулей. В этом калькуляторе также можно учитывать отклонение от направления на юг (азимут).

При подготовке статьи использовались следующие источники

1. Анализ эффективности сетевых солнечных электростанций для энергосбережения в бюджетных учреждениях
2. Determining Module Inter-Row Spacing
3. Калькулятор расстояния между рядами модулей в зависимости от времени года
4. D.Y. Goswami. Effect of Row-To-Row Shading on the Output of Flat Plate South Facing Solar Arrays. Jet Propulsion Laboratory (1986). Google Scholar
5. International Finance Corporation World Band Group. A Project Developer’s Guide to Utility-Scale Solar Photovoltaic Power Plants. (2015) Google Scholar
6. D. Passias, B. Källbäck. Shading effects in rows of solar cell panels. Sol. Cell., 11 (1984), pp. 281-291 ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar
7. The dual angle solar harvest (DASH) method: An alternative method for organizing large solar panel arrays that optimizes incident solar energy in conjunction with land use
8. PV Row to Row Spacing

Эта статья прочитана 12691 раз(а)!

Продолжить чтение