Угол наклона солнца к горизонту. Угол наклона и направление солнечных батарей

Необходимо грамотно подойти к расчету тех параметров, на которые человек может повлиять. Одним из таких является угол наклона солнечных батарей, и наша статья поможет Вам его подобрать так, чтобы сделать выработку Вашей солнечной электростанции максимальной.
Вообще-то на генерацию электроэнергии солнечными фотоэлементами, прежде всего, влияют не зависящие от человека факторы, такие как погодные условия и количество солнечных дней в году. Наилучшие условия для генерации электроэнергии будут при ярком солнце и при ориентации панелей перпендикулярно солнечному свету (хотя, даже при облачной погоде солнечные батареи будут производить электроэнергию).
Поэтому наша задача – определить такое положения солнечных батарей при котором они будут освещаться «прямым» солнцем максимальное время в течении дня .

Вообще говоря, вариантов у нас всего три:

Установка солнечных батарей на неподвижную конструкцию
Установка на двухосный трекер (поворотную платформу, которая может вращаться за солнцем в двух плоскостях)
Установка на одноосный трекер (платформа может изменять только одну ось, чаще всего – ту что отвечает за наклон)

У вариантов №2 и №3 есть свои преимущества (значительное увеличение выработки), но есть и недостатки (более высокая цена, необходимость дополнительной площади и т.п.). Мы рассмотрим целесообразность применения трекеров в отдельной статье, пока же будем говорить только о варианте №1 - неподвижная конструкция, или неподвижная конструкция с изменяемым углом наклона.

Разберемся, почему вообще нужно менять наклон солнечных батарей. Во первых – солнце меняет свое положение в небе в течении суток. Кроме этого – есть еще «во вторых » - солнце меняет свое положение в небе в зависимости от поры года. В каждый сезон положение Солнца разное, поэтому в идеале, для каждого времени года подбирается свой угол наклона. К примеру, летом оптимальный угол наклона составляет 30-40 градусов, а зимой – больше 70, в зависимости от широты местности (рис. 1). Весной и осенью угол наклона имеет усредненное значение между значением угла для лета и зимы. Для автономных систем оптимальный угол наклона зависит от месячного графика нагрузки, то есть если в данном месяце потребляется больше энергии, то угол наклона нужно выбирать оптимальным именно для этого месяца.

Оптимальные углы наклона солнечных батарей для различных широт:

Зависимость выработки электроэнергии панелями солнечных батарей мощностью 1 кВт на широте местности 37.3° от угла наклона и ориентации:

Из таблички видно, что оптимальная выработка в течении года это наклон панели 45° в южном направлении , и при этом Вы можете оценить потери, если собираетесь расположить Вашу солнечную электростанцию с отклонением.

Расчёт количества солнечной энергии, получаемого солнечными панелями при падении солнечных лучей под углом, отличающимся от 90°, рассмотрим на следующем примере:
Пример 1: солнечные панели ориентированы на юг, без продольного наклона. Солнце светит с юго-востока. Линия, проведенная перпендикулярно между солнечными батареями и направлением на Солнце, имеет угол, равный 360/8=45 градусов. Ширина одного пучка падающего солнечного излучения будет равна tan (|90-45|) / sin (|90-45|) = 1.41, и количество солнечной энергии, получаемое солнечными панелями, будет равно 1/1.41=71% от мощности, которая была бы получена, если Солнце светило с юга. (рис. 3)

Если нет возможности регулировки угла наклона, то солнечные батареи должны располагаться под оптимальным углом, значение которого часто принимается равным широте местности. Для каждой широты есть свой угол наклона фотоэлектрических модулей. Небольшие отклонения до 5 градусов от этого оптимума оказывают незначительный эффект на производительность солнечных панелей. Стационарные конструкции ориентируют на юг, с незначительными отклонениями по азимуту (рис. 4).

Как всегда, если Вы столкнулись со сложностями, во время выбора , для Вашей солнечной электростанции, или Вам нужна помощь по монтажу - пожалуйста обращайтесь в нам, наши инженеры смогут предложить оптимальный вариант. Мы работаем на рынке солнечных батарей уже больше 6 лет, за это время накопили хороший опыт, и с удовольствием поможем Вам.

Солнечные панели наиболее эффективно работают, когда они направлены на солнце и их поверхность перпендикулярна солнечным лучам. Как определить такое положение , при котором они будут вырабатывать максимальное количество энергии за день?

Солнце двигается по небу с востока на запад. Положение Солнца на небосклоне определяется 2-мя координатами — склонением и азимутом. Склонение — это угол между линией, соединяющей наблюдателя и Солнце, и горизонтальной поверхностью. Азимут — это угол между направлением на Солнце и направлением на юг (см рисунок справа).

Вообще говоря, вариантов увеличить экспозицию солнечной батареи прямым солнечным лучам всего три:

Установка на неподвижную конструкцию под оптимальным углом
Установка на двухосный трекер (поворотную платформу, которая может вращаться за солнцем в двух плоскостях)
Установка на одноосный трекер (платформа может изменять только одну ось, чаще всего – ту что отвечает за наклон)

У вариантов №2 и №3 есть свои преимущества (значительное увеличение времени работы солнечной батареи и какое-то увеличение выработки энергии), но есть и недостатки: более высокая цена, снижение надежности системы за счет введения движущихся элементов, необходимость дополнительного технического обслуживания и т.п.). Мы рассмотрим целесообразность применения трекеров в отдельной статье, пока же будем говорить только о варианте №1 — неподвижная конструкция, или неподвижная конструкция с изменяемым углом наклона.

Солнечные панели обычно располагаются на крыше или поддерживающей конструкции в фиксированном положении и не могут следить за положением солнца в течение дня. Поэтому, обычно солнечные панели не находятся под оптимальным углом (90 градусов к солнечным лучам) в течение всего дня. Угол между горизонтальной плоскостью и солнечной панелью обычно называют углом наклона.

Вследствие движения Земли вокруг Солнца, имеют место также сезонные вариации. Зимой солнце не достигает того же угла, как летом. В идеале, солнечные панели должны располагаться летом более горизонтально, чем зимой. Поэтому угол наклона для работы летом выбирается меньше, чем для работы зимой. Если нет возможности менять угол наклона дважды в год, то панели должны располагаться по оптимальным углом, значение которого лежит где-то посередине между оптимальными углами для лета и зимы. Для каждой широты есть свой оптимальный угол наклона панелей. Только для местностей около экватора солнечные панели должны располагаться почти горизонтально (но даже и там они устанавливаются под небольшим углом, чтобы дать дождям смывать грязь с солнечной батареи).

Оптимальные углы наклона для различных широт

Обычно для весны и осени оптимальный угол наклона принимается равным значению широты местности. Для зимы к этому значению прибавляется 10-15 градусов, а летом от этого значения отнимается 10-15 градусов. Поэтому обычно рекомендуется менять дважды в год угол наклона с «летнего» на «зимний». Если такой возможности нет, то угол наклона выбирается примерно равным широте местности. Более того, угол наклона также зависит от широты местности. См. таблицу справа.

Потери выработки вследствие отражения (в процентах к перпендикулярному направлению на модуль)

Небольшие отклонения до 5 градусов от этого оптимума оказывают незначительный эффект на производительность модулей. Различие в погодных условиях более влияет на выработку электричества. Для автономных систем оптимальный угол наклона зависит от месячного графика нагрузки, т.е. если в данном месяце потребляется больше энергии, то угол наклона нужно выбирать оптимальным именно для этого месяца. Также, нужно учитывать, какое есть затенение в течение дня. Например, если с восточной стороны у вас дерево, а с западной все чисто, то, скорее всего, имеет смысл сместить ориентацию с точного юга на юго-запад.

Пример 1

К примеру, летом оптимальный угол наклона составляет 30-40 градусов, а зимой – больше 70, в зависимости от широты местности. Весной и осенью угол наклона имеет усредненное значение между значением угла для лета и зимы. Для автономных систем оптимальный угол наклона зависит от месячного графика нагрузки, то есть если в данном месяце потребляется больше энергии, то угол наклона нужно выбирать оптимальным именно для этого месяца.

Оптимальный угол наклона для широты 52 градуса (северной широты) для соединенных с сетью систем составляет 36 градусов. Однако, для автономной системы с примерно равной потребностью в энергии в течение года, оптимальный угол наклона будет составлять около 65-70 градусов.

Пример 2

Доля производства энергии фотоэлектрической системой при наклоне 45 градусов, для широты местности 52 градуса северной широты.

запад	юго-запад	юг	юго-восток	восток
78%	94%	97%	94%	78%

Выработка максимальна (100%) когда панели расположены под углом 36 градусов и ориентированы на юг. Как видно из таблицы, разница между направлениями на юг, юго-восток и юго-запад незначительна.

Зависимость выработки солнечных батарей от направления на Солнце

Расчёт количества солнечной энергии, получаемого солнечными панелями при падении солнечных лучей под углом, отличающимся от 90°, рассмотрим на следующем примере:
Пример: солнечные панели ориентированы на юг, без продольного наклона. Солнце светит с юго-востока. Линия, проведенная перпендикулярно между солнечными батареями и направлением на Солнце, имеет угол, равный 360/8=45 градусов. Ширина одного пучка падающего солнечного излучения будет равна tan (|90-45|) / sin (|90-45|) = 1.41, и количество солнечной энергии, получаемое солнечными панелями, будет равно 1/1.41=71% от мощности, которая была бы получена, если Солнце светило точно с юга.

Хорошая статья, описывающая экспериментальные испытания выработки солнечных батарей, установленных под разным углом — , там же рассмотрен эффект очистки солнечных батарей, установленный под различным углом, от снега.

Как всегда, если Вы столкнулись со сложностями, во время выбора солнечных батарей, сетевых инверторов для вашей солнечной электростанции, или Вам нужна помощь по монтажу — пожалуйста обращайтесь в нам , наши инженеры смогут предложить оптимальный вариант. Мы работаем на рынке солнечных батарей больше 15 лет, за это время накопили хороший опыт, и с удовольствием поможем Вам.

Дата добавления: 02.02.2015

Солнечная батарея , фотоэлектрический модуль – это возобновляемый источник электроэнергии, который преобразует световую энергию солнца в электроэнергию.

Фотоэлектрические модули находят самое широкое применение, как эффективные, экологически чистые источники энергии для разнообразного использования. Это в первую очередь, сетевые системы для продажи энергии в общую сеть региона через сетевой (grid tie) инвертор. Так же фотоэлектрические модули используются, как возобновляемые источники энергии в системах резервного и автономного питания.

Ориентация и углы установки солнечных батарей.

Установка фотоэлектрических модулей происходит на специальных конструкциях, которые обеспечивают их оптимальную ориентацию на солнце и надежное крепление к разным типам поверхностей на местах установки: наземные фундаменты, наклонные крыши, плоская кровля, а также вертикальные поверхности.

Для максимальной производительности энергии фотоэлектрические модули должны быть смонтированы таким образом, чтобы солнечные лучи падали на рабочую поверхность модуля под углом 90° . Добиться данного требования для солнечных установок возможно только при использовании специальных поворотных конструкций с двухосевой системой слежения за солнцем – трекерных систем (см. ниже). Такие солнечные установки, кроме явных преимуществ в максимальном использовании солнечной энергии, являются достаточно дорогими устройствами, потребляют, хоть и незначительно, но постоянно энергию, требуют большую по площади площадку для установки по сравнению с фиксированными конструкциями. Поэтому обычно идут на компромисс в производительности системы и стоимости конструкции, и в основном в фотоэлектрических системах используют стационарные конструкции.

Такие конструкции ориентируют на юг, с незначительными отклонениями по азимуту (см. диаграмму), а так же устанавливают с фиксированным, или изменяемым углом наклона.

Производительность энергии фотоэлектрической системы, в зависимости от монтажной конструкции.

Оптимальный угол наклона солнечных панелей зависит от широты местности, а так же может быть изменен, в зависимости от того, какой оптимизации в производстве энергии необходимо добиться. Так, он может быть уменьшен от оптимального значения, если фотоэлектрическая система работает в летний период (летний оптимум), увеличен, если фотоэлектрическая система эксплуатируется в основном в осенне-зимний период, или принят средним по значению, если фотоэлектрическая система предназначена для круглогодичной эксплуатации.

Упрощенная формула расчета оптимального угла наклона фотомодулей:

Если широта до 25 °, числовое значение широты умножить на 0,87.
Если широта между 25 ° и 50 °, числовое значение широты умножить на 0,76, плюс 3,1 градуса.

Приведенный ниже график показывает влияние регулировок угла наклона на производительность. Бирюзовый линия показывает количество энергии, которую можно получать каждый день, если установка солнечных батарей произведена на фиксированный оптимальный угол наклона. Красная линия показывает количество солнечной энергии, которую можно получить при регулировании угла наклона четыре раза в год. Фиолетовая линии показывает количество солнечной энергии в день, если солнечные панели установлены на зимний угол.. Для сравнения, зеленая линия показывает энергию, которую вы получили бы от двух осевой трекерной системы слежения, которая всегда ориентирует панели прямо на солнце. Цифры даны для 40 ° широты

Если конструкция позволяет изменять угол наклона солнечных панелей, то при изменении угла два раза в год на широте между 25° и 50° можно принять следующие цифры: лучшим углом наклона для лета будет численное значение широты, умноженное на 0.93 минус 21 градус. Лучший угол наклона для зимы - численное значение широты, умноженное на 0,875, плюс 19,2 градуса. Оптимальное время для изменения угла наклона на летний период – 30 марта, на зимний период - 12 сентября.

Широта	Летний угол	Зимний угол	% от оптимального (2-осевого трекера)
25 °		41,1
30 °		45,5
35 °	11,6	49,8
40 °	16,2	54,2
45 °	20,9	58,6
50 °	25,5	63,0

При регулировании угла наклона солнечных панелей четыре раза в год на широте между 25 ° и 50° лучшими углами наклона будут:

для лета числовое значение широты умножить на 0,92, и вычесть 24,3 градуса.
для весны и осени числовое значение широты умножить на 0,98, и вычесть 2,3 градуса.
для зимы числовое значение широты умножить на 0,89, и добавить 24 градуса.

Широта	Летний угол	Весенний/ осенний угол	Зимний угол
25 °		22,2	46,3
30 °		27,1	50,7
35 °		32,0	55,2
40 °	12,5	36,9	59,6
45 °	17,1	41,8	64,1
50 °	21,7	46,7	68,5

Оптимальное время для изменения угла наклона на летний период –18 апреля, на осенний период – 24 августа, на зимний период - 7 октября, на весенний период - 5 марта.

В зимний период солнечные панели, при зимнем угле наклона, будут ориентированы достаточно эффективно, захватив от 81 до 88 % энергии по сравнению с трекерной системой. Такой угол наклона является хорошим решением в тех местах, где зимой нагрузка больше, чем летом. Весной, летом и осенью эффективность будет ниже (74-75% весной / осенью, и 68-74% летом), потому, что в эти сезоны солнце проходит большой участок неба, и фиксированная панели не может захватить быть направлена на него под углами, приближающимися к 90°, значительную часть дня. Это как раз время года, в котором трекерные системы слежения дают наибольший эффект.

Заметим, что зимой угол примерно на 5 ° круче, чем то, что обычно рекомендуется. Причина в том, что в зимнее время, большая часть солнечной энергии приходится на полдень, так что фотоэлектрические модули следует ориентировать почти прямо на солнце в полдень. Угол доработан, чтобы получить наиболее полную энергию в течение дня.

Если конструкция фотоэлектрических систем позволяет регулировать угол наклона каждый месяц, то для расчета его значения на широте L принимаются такие величины.

С весеннего равноденствия до осеннего равноденствия –

угол равен (L-5 °) на 3 апреля и 9 сентября (в т. ч. ближайшие 2 недели разницы)
угол равен (L-10 °) на 17 апреля и 26 августа (в т. ч. ближайшие 2 недели разницы)
угол равен (L-15 °) на 1 мая и 12 августа (в т. ч. ближайшие 2 недели разницы)
угол равен (L-20 °) на 22 мая и по 22 июля (в т. ч. ближайшие 2 недели разницы)
угол равен (L-23.5 °) на 22 июня (летнее солнцестояние)

С осеннего равноденствия до весеннего равноденствия –

угол равен широте L на 22 марта и 22 сентября (равноденствие)
угол равен (L +5 °), на 6 октября и 7 марта (в т. ч. ближайшие 2 недели разницы)
угол равен (L +10 °) на 19 октября и по 22 февраля (в т. ч. ближайшие 2 недели разницы)
угол равен (L +15 °), на 3 ноября и 8 февраля (в т. ч. ближайшие 2 недели разницы)
угол равен (L +20 °) на 23 ноября и 23 января (в т. ч. ближайшие 2 недели разницы)
угол равен (L +23.5 °) на 22 декабря (зимнее солнцестояние)

Углы наклона для некоторых широт, в зависимости от времени года, представлены на графике

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. Для средней полосы, при оптимальном фиксированном угле наклона, зачастую используется простая формула d = 3w, где d - расстояние между рядами, и w – высота панели под оптимальным углом наклона.

При углах наклона, близких к 30 °, коэффициент использования площадки под фотоэлектрическую систему составляет 33%. Приведенные данные являются обзорными, собраны из разных источников, и немного отличаются по значению, так как рассчитывались по разным методикам. В целом задача по ним - дать представление о том насколько оптимально может работать фотоэлектрическая система в зависимости от ориентации и угла наклона солнечных панелей.

Виды конструкций под монтаж солнечных батарей.

Конструкции под наземный монтаж солнечных батарей.

Для наземного монтажа солнечных панелей конструкции изготавливаются из оцинкованного железного или алюминиевого профиля, собранного в единую конструкцию для крепления одного или группы из нескольких модулей в вертикальной, или горизонтальной плоскости. Такие конструкции чаще устанавливают на бетонный фундамент.

Кроме стационарных конструкций для установки фотоэлектрических модулей на земле, существуют также поворотные в одной, или двух плоскостях конструкции для систем слежения за солнцем – трекерные системы ориентации. Использование трекеров позволяет максимально эффективно сориентировать активную поверхность сонечных панелей и значительно увеличить производительность энергии в сравнении с фиксированным размещением на неподвижных металлоконструкциях – до 30 – 40%.

Трекеры изготавливают из стальных нержавеющих и алюминиевых профилей.

Соотношение стоимости и эффективности трекеров определяет оптимальную мощность размещаемых на них фотомодулей, которая может составлять от единиц до десятка киловатт.

Конструкции под монтаж солнечных батарей на крышах.

Для монтажа фотоэлектрических модулей на плоских крышах используют конструкции из алюминиевого профиля с опорными элементами из нержавеющей стали. На таких конструкциях монтируют панели в один, или несколько ярусов, ориентируя в горизонтальной или вертикальной плоскости.

На наклонных крышах, ориентированных на юг по азимуту и углу наклона, близкому к оптимальному, монтаж солнечных батарей происходит на алюминиевых профилях, закрепленных на опорних элементах в/на кровле.

Мобильные конструкции для солнечных батарей

Конструкции под фотоэлектрические модули для мобильного применения должны обладать возможностью оперативно разворачиваться и ориентировать модули на сонце, а так же быть достаточно компактними для транспортировки. Их изготавливают из алюминиевого профиля, с крепежными элементами из нержавеющей стали, применяя поворотне узлы, позволяющие изменять геометрию конструкции и ориентацию всей системы, или отдельных элементов.

На такие конструкции накладываются определенные ограничения, связанные с массо-габаритными характеристиками всей системы, а так же условий её транспортирования и приведения в рабочее сосотояние.

Итак, как было рассмотрено выше, производительность фотоэлектрических систем напрямую зависит от того, насколько правильно произведена установка солнечных батарей и подобраны конструкции под них. Выбор и расчет конструкции для фотоэлектрической системы является таким же важным элементом для получения максимального выхода энергии от нее, как и остальные элементы системы – фотоэлектрические модули и инверторы.

Пожалуйста, включите Javascript для просмотра комментариев.