Расположение солнечных панелей по временам года

Угол установки солнечных батарей: рекомендации специалистов для повышения КПД устройств

Дата публикации: 9 января 2020

Общая схема работы солнечных батарей не вызывает вопросов. Лучи, улавливаемые фотоэлектрическими элементами панелей, преобразуются в бесплатную электроэнергию, которая направляется в местную сеть для питания бытовой техники и прочих энергозависимых устройств. Единственный вопрос, который обычно возникает у пользователя, — выбор угла установки батарей, чтобы их поверхность получала максимальное количество солнечного света. Попробуем подробнее разобраться в этом вопросе.

Точные расчеты угла наклона

Понятие угла установки солнечных панелей складывается сразу из нескольких показателей с учетом двухмерного пространства. Это горизонтальный наклон по отношению к одной из сторон света и вертикальный поворот относительно направления падения лучей светила.

Угол наклона по отношению к сторонам горизонта

Из школьного курса известно, что наибольшее количество солнечного света наблюдается на географическом юге. Определить его можно с помощью компаса, не забыв, что в разных частях земного шара существует незначительная погрешность между магнитным и географическим направлением. Так, для юга России она составляет приблизительно 7-8 градусов.

При проведении монтажных работ на поверхности земли владельцу устройства будет несложно правильно выбрать угол наклона солнечных панелей, ориентируясь на показания компаса. Если же установка осуществляется на скатной крыше, соблюсти требование по ориентации на юг может быть затруднительным. Поэтому допускаются некоторые отклонения, не оказывающие существенного влияния на КПД автономной электростанции:

• батарея, сориентированная на юго-восток или юго-запад, потеряет всего 5% мощности;
• при повороте на запад или восток собственник недополучит около 20-23% энергии;
• ориентация на север снизит КПД батарей на 70%;
• поворот на северо-восток или северо-запад станет причиной снижения КПД на 40-50%.

Несложно подсчитать: отклонение угла наклона солнечного коллектора на 30% и более от рекомендованного южного положения считается нецелесообразным, т.к. расходы на приобретение батареи не окупятся бесплатной электроэнергией.

Угол наклона по отношению к солнцу

Угол установки солнечных батарей относительно солнца обусловлен разной высотой светила над горизонтом в течение суток, а также сменой его сезонного положения. Летом светило находится выше, чем в зимнее время года, утром и вечером – ниже, чем в полдень, когда оно достигает апогея на небесном своде. Вывод: панели должны постоянно поворачиваться, реагируя на малейшие изменения угла падения солнечного света. Осуществить столь смелое техническое решение на практике помогают специальные трекеры – поворотные системы для автономных электростанций. Но их приобретение эффективно только для батарей большой площади, рассчитанных на значительные объемы выработки электроэнергии. Для более мелких бытовых устройств их покупка нерентабельна. В последнем случае стоит выбрать один из вариантов:

• Для неподвижной группы батарей выбрать оптимальный угол установки солнечных панелей — 30-35 градусов;
• Для частично подвижной конструкции осуществлять смену положения на 10-15 градусов: летом – в сторону уменьшения, зимой – в сторону увеличения.

Если вы все же решили приобрести трекеры, их стоимость вместе с ценой установки не должна составлять больше 40% цены батарей. В противном случае расходы на покупку дорогостоящего устройства не оправдают себя, и увеличить панели до номинального показателя прибыли не удастся.

Обратите внимание: для повышения КПД солнечных батарей имеет значение наклон скатной крыши по отношению к горизонту. Если угол составляет больше 40 или меньше 30 градусов, имеет смысл устанавливать конструкцию панелей на кронштейны. Иных вариантов решения проблемы не существует, а монтаж батарей на крышу с недостаточным или избыточным уклоном резко сокращает КПД системы.

Дополнительные практические рекомендации

Специалисты по монтажу солнечных панелей советуют выбирать угол установки с учетом следующих соображений:

• Оптимальное положение установки должно рассчитываться таким образом, чтобы угол солнечной панели составлял 90 градусов к направлению потока лучей. Перпендикулярно падающий свет дает высокий КПД. Поэтому перед монтажными работами целесообразно провести мониторинг положения Солнца над горизонтом, чтобы подобрать под батарею подходящую опорную конструкцию и приблизить угол падения к требуемым 90 градусам.
• Летом в связи с высоким положением Солнца над горизонтом панели лучше укладывать ниже, чем в зимнее время. Если выполнять демонтаж и повторную установку системы в начале сезона невозможно, рекомендуется выбрать среднее значение, дающее максимальный КПД при любом положении светила над горизонтом.
• Подсказкой для выбора оптимального угла наклона солнечных панелей станет широта региона проживания. Осенью и весной это значение идеально для получения максимально доступного солнечного излучения. Зимой нужно добавить к нему около 10-15 градусов, а летом – отнять столько же, чтобы адаптировать положение панелей к направлению естественного света.

Отклонение от рекомендуемого угла наклона солнечных панелей в Подмосковье до 5 градусов считается незначительным. Но, если расхождение составляет около 10%, батарея теряет около 1% энергии. При увеличении разницы до 18 градусов потери достигают 5%, а при 40 градусах отклонения батарея недополучает около 20% солнечного света.

• Кто и как производит солнечные панели?
• Трехглазое «чудище», питающееся солнечной энергией
• Прожекторы выходят на борьбу с темнотой
• Еще об электромобилях на солнечной энергии

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Источник

Особенности размещения солнечных панелей

При выборе оптимальной ориентации солнечных панелей следует обратить внимание на практическое использование солнечных установок разных типов. На многочисленных сайтах, которые посвящаются солнечной энергии, данный вопрос не достаточно раскрыт, а незнание может привести к понижению эффективности панелей до самого низкого уровня.

Угол попадания солнечных лучей на поверхность панелей достаточно сильно влияет на коэффициент отражения, следовательно, на долю невоспринятой солнечной энергии. Пример: для стекла при отклонении угла падения от перпендикуляра к его поверхности до 30°, коэффициент отражения почти не изменяется и составляет меньше 5%, то есть больше 95% излучения, которое попадает на поверхность, проходит внутрь. Дальше рост отражение более заметный: к 60° доля отраженного излучения увеличивается практически вдвое – до 10% и т.д.

Эффективная площадь панели является более важным фактором. Эффективная площадь равна реальной площади панели, умноженная на синус угла между плоскостью и направлением потока. Поэтому, если панель перпендикулярна потоку, то ее эффективная площадь такая же, как и реальная. Если поток отклонить на 60°, то площадь составляет половину реальной площади. Если же поток параллельный панели, то эффективная площадь приравнивается нулю. В результате видно, что отклонение потока от перпендикуляра к панели не просто увеличивает отражение, но и может снижать эффективную площадь, обуславливая снижение выработки такой энергии.

Наиболее эффективной является постоянная ориентация панели перпендикулярно к потоку солнечных лучей. Для этого потребуется изменение панели в двух плоскостях, потому что направление Солнца зависит от времени суток и сезона. Конечно, данная система технически возможна, но является достаточно сложной, поэтому дорогая и не очень надежная.

Как известно, при углах падения лучей до 30°, коэффициент отражения на поверхности стекла минимальный и не изменяется, в на протяжении всего года угол максимального подъема солнца над горизонтом отклоняется на 23°. Даже при отклонении угла от перпендикуляра на 23° эффективная площадь панели остается достаточно объемной, не меньше 92% от ее реальной площади. Поэтому следует ориентироваться на среднегодовую высоту максимального подъема Солнца, а также ограничиться вращением в одной плоскости без потери эффективности – вокруг полярной оси Земли, скоростью 1 оборот в сутки. Относительно горизонтали угол наклона вращения панели приравнивается к географической широте месторасположения объекта. Например, Москва находится на широте 56°, следовательно, ось вращения панели должна быть наклонена на север на 56° относительно поверхности. Организовать на практике такое вращение достаточно просто, но для вращения без препятствий необходимо достаточно много места. Также нужно организовать скользящее соединение, которое позволит отводить от вращающей панели всю полученную энергию, или же ограничиться гибкими коммуникациями с фиксированным соединением, но при этом необходимо автоматизировать возврат панели на исходное положение в ночное время. Иначе избежать перекручивания и обрыва отводящих коммуникаций энергию не получится. Такие решения достаточно повышают уровень сложности и снижают надежность и эффективность системы. А при возрастании мощности панели усложняются технические проблемы в геометрической прогрессии.

Исходя из вышесказанного, панели индивидуальных солнечных установок в основном монтируются в неподвижном состоянии, это обеспечит покупателю достаточно низкую цену и высокий уровень надежности такой установки. Но и здесь необходимо правильно выбрать угол наклона и размещения панели. Ниже приведен график восприятия солнечной энергии на примере Москвы.

Восприятие солнечной энергии панелями различной ориентации в Москве

Оранжевая линия показывает результаты отслеживания вращение Солнца вокруг полярной оси.
Синяя линия – неподвижная горизонтальная панель.
Зеленая линия – неподвижная вертикальная панель, направленная на юг.
Красная линия – неподвижная панель, направленная на юг под углом 40° к горизонту.

Проанализируем диаграммы инсоляции для разных углов установки панели. Не секрет, что панель, которая вращается вслед за Солнцем, является самой эффективной (оранжевая линия). Но даже в длинные летние дни эффективность такой панели под оптимальным углом (красная линия) составляет всего 30%. Но в такие дни тепла и света достаточно много. А в период с октября по февраль преимущество поворачивающейся панели над неподвижной панелью минимальное и неощутимое. В такое время дополнением наклонной панели служит вертикальная панель, а не горизонтальная (зеленая линия). Таким образом, низкие лучи солнца зимой скользят по горизонтальной панели, и отлично воспринимаются перпендикулярной им вертикальной. Следует, что эффективность перпендикулярной панели в ноябре, декабре и феврале превосходит производство наклонной панели и практически не отличается от эффективности панели, которая вращается. А в марте и октябре продолжительность дня большая, чем зимой, поэтому вращающаяся панель превосходит все неподвижные панели, но их эффективность практически одинаковая. И только в период с апреля по август, когда дни наиболее длинные, горизонтальная панель считается наиболее эффективной, нежели вертикальная. В июне горизонтальная панель превосходит вертикальную. Такой факт очевиден, поскольку летний день в Москве длится более 17 часов, а в полусфере вертикальной панели Солнце может находиться не больше 12 часов, а остальные 5 часов Солнце находится позади неё. При учете угла падения не более 60°, доля отраженного света от поверхности панели стремительно растет, а эффективность площади уменьшается больше чем в 2 раза. Тогда время эффективного восприятия солнечного излучения панелью не более 8 часов, т.е. 50% от общей продолжительности дня. Так можно объяснить факт стабилизации производительности вертикальных панелей на протяжении всего периода длинных дней, которые начинаются в марте, а заканчиваются в сентябре. Рассмотрим январь, когда производительность панелей практически одинаковая. Январь в Москве всегда пасмурный, больше 90% солнечной энергии является рассеянным. Для такого излучения совсем не имеет значения ориентация панели. Но даже несколько солнечных дней в январе способны снизить производительность горизонтальной панели на 20%.

Какой же угол наклона выбрать?

Угол наклона зависит от того, когда Вам необходима солнечная энергия. Если Вы планируете использовать ее в теплое время года, то предпочтительнее выбирать оптимальный угол наклона — перпендикулярный к среднему положению Солнца в период осеннего и весеннего равноденствия. Такой угол на 10-15° меньше географической широты для Москвы и составляет 40-45°. Если такая энергия Вам необходима круглый год, тогда нужно использовать весь максимум в зимние месяцы. Значит необходимо ориентироваться на среднее положение Солнца между осенним и весенним равноденствием, а панели размещать ближе к вертикали, т.е. на 5-15° больше географической широты.

Если согласно архитектурным соображениям невозможно выставить панель под таким углом, значит, придется выбирать между углом наклона не больше 40° или устанавливать панель вертикально. В такой ситуации более предпочтительной является вертикальная установка панели. При такой установке не страшен недобор энергии в длинные солнечные дни, поскольку в этот период Солнца достаточно много, а необходимость производительности энергии обычно не очень велика, как в холодное время года. Конечно же угол наклона панели необходимо ориентировать на юг, но даже небольшое отклонение в 10-15° на восток или запад практически ничего не изменит, поэтому небольшое отклонение допустимо.

Размещение солнечных панелей горизонтально совсем себя не оправдало и не является эффективным. Кроме сильного снижения выработки энергии в осеннее-зимний период, на горизонтальных панелях постоянно скапливается пыль, снег, вода. А согласно инструкции по уходу за панелями, все это нужно убирать только вручную. Если панель выставить под углом больше 60°, то снег практически не задерживается на ней и панель очищается сама, а пыль отлично смывает дождь.

И еще один интересный факт – если стекло поверхности является рельефным, а не гладким, то оно сможет более эффективно улавливать боковой свет, а также передавать его на рабочие элементы солнечной панели. Самым эффективным является волнообразный рельеф, с выступами и впадинами с севера на юг, а для вертикальных панелей – сверху вниз. Рифленое стекло увеличивает выработку неподвижной панели на 5-10%.

Источник