На сегодняшний день уровень развития технологии производства солнечных фотоэлектрических элементов прямого преобразования позволяет использовать солнечное излучение как источник электрической энергии на объектах удаленных от централизованных линий электропередач [1, с.23].
За последние несколько лет КПД фотоэлектрических модулей (ФЭМ) возрос с 14% до 22%. Этот факт свидетельствует о дальнейшем улучшении параметров ФЭМ. Кроме того, уже сегодня существуют лабораторные образцы солнечных элементов, способных улавливать излучение разного спектра, благодаря чему КПД таких установок достигает 50%. Поэтому для условий автономной работы объектов малой мощности, как например геологоразведочных экспедиций, рабочих поселков, пунктов связи целесообразно использовать монокристаллические кремниевые фотоэлементы с КПД 21,2%.
Для элементов с заданным КПД, технический валовый потенциал на территории России составляет минимум 112 кВт·ч/м2 и максимум 210 кВт·ч/м2, среднее значении достигает 170 кВт·ч/м2. При расчете фотоэлектрической станции необходимо учитывать следующие параметры:
- угол между нормалью к плоскости батареи и направлением на Солнце;
- продолжительность светового дня и другие факторы, характеризующие параметры солнечного излучения на территории объекта.
Угол Г между направлением на Солнце и нормалью к плоскости ФЭМ рассчитывается следующим образом [2, с.234]:
(1)
(2)
где угол f определяется по формуле (2).
(3)
(4)
Где угол А определяется по формуле (4)
Рисунок 1 – Угол падения солнечного излучения на ФЭМ. 1,2,3 – направление падения солнечных лучей при равноденствии, летом и зимой соответственно; а,б,в – вариации угла наклона ФЭМ при равноденствии, зимой и летом соответственно; Г – угол между направлением на Солнце и нормалью к плоскости ФЭМ.
В данной статье будет проведено исследование изменения траектории движения Солнца, угла Г. При этом, так как эти показатели не зависят от координаты долготы, было рассмотрено только 6 координат и подробно представлен анализ автономного объекта в Забайкалье (51º северной широты и 115º восточной долготы). В таблице 1 представлены усредненные показатели, характерные для каждого региона.
| Широта, градусы | Продолжительность сияния, час | |
| Зимний период | Летний период | |
|
43
|
9
|
15
|
|
50
|
8
|
16
|
|
55
|
7
|
17
|
|
60
|
5
|
18,5
|
|
65
|
3
|
21
|
|
79
|
0
|
24
|
Согласно таблице, можно сделать вывод о том, что применение ФЭМ возможно не только в регионах, которые располагаются на широтах близких к Экватору. При этом, следует отметить, что регионы, лежащие севернее, обладают продолжительным временем, когда Солнце находится выше горизонта, в летний период. Представленные факты еще раз подтверждает эффективность использования данного энергоресурса.
Далее необходимо определить оптимальный угол наклона ФЭМ, пользуясь данными приходящего на территорию объекта солнечного излучения. В таблице 2 приведены значения солнечного излучения в заданных координатах [3].
| Месяц | Инсоляция, кВт/м2 в день |
| Январь |
1,41
|
| Февраль |
2,54
|
| Март |
4,04
|
| Апрель |
5,08
|
| Май |
5,81
|
| Июнь |
5,97
|
| Июль |
5,23
|
| Август |
4,58
|
| Сентябрь |
3,72
|
| Октябрь |
2,55
|
| Ноябрь |
1,55
|
| Декабрь |
1,09
|
| Среднегодовое |
3,63
|
Так как рассматриваемым объектом, является Уронайская геологоразведочная экспедиция, для которой характерной особенностью является сезонность – работы ведутся в период с апреля по ноябрь, то рассматривается применения ФЭМ только в этом промежутке. Для нахождения оптимального угла наклона ФЭМ берется месяц с минимальным значением солнечного излучения. Для условий геологоразведочной экспедиции это ноябрь месяц, и значения солнечного излучения составляет 1,55 кВт/м2 в день для горизонтальной поверхность площадью 1 м2, расположенной перпендикулярно солнечным лучам. В этом месяце значение склонения Солнца согласно аналемме [4] составляет от -15º до -22º.
Методика определения угла наклона ФЭМ – как сумма географической широты и 15 градусами. Для летнего периода берется разность широты и 15 градусов. Значение угла составит 70 градусов для зимы и 30 градусов для лета.
По приведенным выше формулам, находим угол Г между направлением на Солнце и нормалью к плоскости ФЭМ. Для ноября и июня месяца значение склонения солнца согласно[4] равно -20º и 22º соответственно. В таблице 3 представлены значения угла Г в течение светового дня, с шагом в 60 минут. Продолжительность светового дня в ноябре составляет 9 часов, в июне 16 часов.
| δ = -20º | |||
| Sin ψ | Cos A | Cos Г | Г |
| 0,03 | -0,581 | 0,542 | 31,0 |
| 0,152 | -0,74 | 0,73 | 41,8 |
| 0,246 | -0,875 | 0,875 | 50,1 |
| 0,305 | -0,967 | 0,956 | 55,3 |
| 0,326 | -1 | 0,996 | 57,0 |
| 0,305 | -0,967 | 0,965 | 55,3 |
| 0,246 | -0,875 | 0,875 | 50,1 |
| 0,152 | -0,74 | 0,73 | 41,8 |
| 0,03 | -0,581 | 0,542 | 31,0 |
| δ = 22º | |||
| 0 | 0.596 | -0.545 | -31.212 |
| 0.14 | 0.426 | -0.329 | -18.836 |
| 0.291 | 0.246 | -0.097 | -5.555 |
| 0.442 | 0.055 | 0.135 | 7.726 |
| 0.583 | -0.153 | 0.351 | 20.102 |
| 0.704 | -0.385 | 0.536 | 30.729 |
| 0.796 | -0.642 | 0.679 | 38.884 |
| 0.855 | -0.887 | 0.768 | 44.01 |
| 0.875 | -1 | 0.799 | 45.758 |
| 0.855 | -0.887 | 0.768 | 44.01 |
| 0.796 | -0.642 | 0.679 | 38.884 |
| 0.704 | -0.385 | 0.536 | 30.729 |
| 0.583 | -0.153 | 0.351 | 20.102 |
| 0.442 | 0.055 | 0.135 | 7.726 |
| 0.291 | 0.246 | -0.097 | -5.555 |
| 0.14 | 0.426 | -0.329 | -18.836 |
| 0 | 0.596 | -0.545 | -31.212 |
Рисунок 2 – Графики продолжительности светового дня для июня месяца и угла между направлением на Солнце и нормалью к плоскости ФЭМ
По полученным данным Cos Г можно рассчитать S’ эффективную плотность солнечного излучения. Для рассматриваемого объекта она в среднем равна 1,82 кВт/м2. Эта величина получена умножением среднего значения инсоляции на территории Уронайской геологоразведочной партии на среднее значение Cos Г.
Библиографический список
- Тарнижевский, Б.В. Перспективы использования возобновляемых источников энергии в России // Горный журнал, специальный выпуск, 2004, С. 22-25.
- Кононович Э.В., Мороз В.И., Общий курс астрономии: учебное пособие/ под редакцией В.В. Иванова // Изд. 2-е, испр., М., Едиториал УРСС, 2004. 544с.
- NASA Surface meteorology and Solar Energy: Data Subset //AtmosphericScienceDataCenter[электронный ресурс]. URL: http://eosweb.larc.nasa.gov.(дата обращения: 15.10.2013)
- Титаренко В.П. [Электронный ресурс]: учебное пособие, Томский государственный университет, Томск 2006. URL: http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/astronomy/uchpos/ (дата обращения: 14.09.2013)
Количество просмотров публикации: Please wait