Что потребляет солнечная панель

Конечно, солнечный свет и вы правы.

Солнечный свет содержит фотоны разной энергии что заставляют работать солнечный элемент вырабатывать электрическую энергию. Но различают несколько источников этого света:

• Прямые солнечные лучи. Они поступают напрямую от солнца и тень от них резкая. Их характеризует высокая интенсивность света.

• Диффузные солнечные лучи. Это солнечный свет отраженный и преломленный от облаков тумана неоднородности атмосферы. И как в пасмурную погоду свет (эти лучи) идут ото всюду с неба. Интенсивность данного света, конечно, зависит от конкретной погоды и заметно ниже (до нескольких раз) от интенсивности прямого солнечного света.

• Отраженные солнечные лучи (альбедо). Что такое альбедо – это разница (отношение) в интенсивности падающего и отраженного света. Скажем у зеркала и воды она высокая, а у чернозема низкая, но это две крайности. А посредине них море вариантов. Но интенсивность меньше от диффузных солнечных лучей. Иногда даже этой величиной пренебрегают.

Учитывая в данной местности (складывая) эти три показателя получаем Глобальную солнечную радиацию для дальнейшего расчета эффективности солнечной панели GSI (Global Solar Irradiation). Она измеряется на горизонтальной поверхности земли.

Облучение - это мгновенное измерение солнечной энергии в некоторой области. Единицами освещения являются ватты на квадратный метр. Для практических целей измерения и интерпретации освещенность выражается и разделяется на различные компоненты. Инсоляция - это измерение кумулятивной энергии, измеренной в некоторой области за определенный период времени (например, годовой, месячный, дневной и т. Д.). Общая единица инсоляции - киловатт-часы на квадратный метр. Для правильной интерпретации этих единиц необходимо четко указать временной интервал (например, кВт-ч на квадратный метр годовой инсоляции).

Для каждого измерения освещенности должна быть определена в какой плоскости проводится измерение.

GHI Global Horizontal Irradiance весь объём солнечной радиации, получаемый единицей поверхности расположенной горизонтально Глобальное горизонтальное излучение (GHI) - это количество земного излучения, падающего на поверхность, горизонтальную к поверхности Земли.

DNI Direct Normal Irradiance количество солнечной радиации, которое получает единица поверхности 1 м2 установленная перпендикулярно лучам солнца, приходящим напрямую от солнца.

DIF (DHI) Diffuse Horizontal Irradiance количество солнечной радиации, которое получает единица поверхности 1 м2 установленная горизонтально не от прямых солнечных лучей. Отраженный от неба, облаков преломленный свет.

GTI Global Tilt Irradiance весь объём солнечной радиации получаемый единицей поверхности расположенный под оптимальным углом, рассчитанным для данной широты.

GHI = DNI*cos Fi + DHI Fi угол от вертикали

Кроме того, существует зависимость интенсивности поглощения фотонов разной энергии или длины волны. Конечно, она зависит от материала, из которого изготовлен солнечный элемент. На рисунке это кремниевый фотоэлемент.

Сведения о движении солнца по небу

Достаточно давно известно, что земля передвигается вокруг солнца по орбите эллиптической. Плоскость, в которой передвигается земля вокруг солнца именуется плоскостью эклиптики.

Кроме того, земля наклонена относительно перпендикуляра к плоскости эклиптики и вращается вокруг своей оси, которая называется полюсом мира.

Для чего столько определений и понятий?

Для человека, стоящего на земле солнце, будет подниматься из-за горизонта совершать путешествие по небу и заходить вечером за горизонт. Зимой это путешествие короткое, летом солнце поднимется высоко, и траектория его движения будет длиной. Есть средние точки в этом движении, когда день равен ночи - это дни осеннего и весеннего равноденствия. Те для наблюдателя солнце совершает пробег по небесной сфере, окружающей наблюдателя по траектории, называемой эклиптика. Зимой плоскость эклиптики находится под наклоном к горизонту меньше, чем летом. Дети на картинке будут видеть движение солнца следующим образом в разное время года.

Поместим в качестве наблюдателя неподвижную солнечную панель. По отношению к ним солнце будет находиться на небесной сфере под разными углами в разное время суток и в разные дни года. И как мы знаем интенсивность освещенности будет менять количество вырабатываемой электроэнергии или мощность панели. Все эти факторы надо учитывать при оценке эффективности солнечной электростанции.

Солнечное окно

Позиция солнца 21 июня и 21 Декабря, когда солнце проходит самый большой и самый маленький путь по горизонту. С 9 am до 15 pm наиболее производительная область.

Местоположение

Интенсивность солнечного излучения зависит от места на Земле. Да земля круглая и на экваторе солнечному лучу надо пройти меньшее расстояние через атмосферу чем на широте Москвы или Магадана. Атмосфера ослабит интенсивность света рассеивая поглощая его. На это работают и озоновый слой, и пары воды, и пыль, и загрязнения атмосферы, и СО2, и т.д. Поэтому наиболее привлекательные места находятся ближе к экватору. Чем южнее район, тем, как правило он более подходит для установки солнечной электростанции.

Но наиболее важным является количество солнечных дней в году в выбираемом регионе. Различия связаны с метеоусловиями в данном конкретном месте. Район экватора из-за близости океана может приносить постоянную облачность, а пустыня Сахара известна безоблачным климатом.

Время

Земля передвигается вокруг солнца и скорость у нее разная в разных точках орбиты. Синусоида с годичным периодом дает разность между истинным и средним временем, обусловленную неравномерным передвижением Солнца по эклиптике. Часть данного уравнения времени называется уравнением центра или по-другому уравнением от эксцентриситета. Это пунктирная зеленая кривая.

Вторым фактором является наклон земной орбиты. Синусоида с периодом в полгода (штрихпунктирная коричневая кривая) представляет разность времен, вызванную наклоном эклиптики к небесному экватору, она называется уравнением от наклона эклиптики.

Результат суммирования этих двух синусоид синяя сплошная линия. В англоязычной литературе принят инвертированный график. График выше нуля — солнечные часы «идут быстрее».

Поправка

Поправка между истинным временем и средним солнечным временем на протяжении года называется уравнением времени

EoT = 9.87sin(2B)-7.53cos(B)-1.5sin(B) где

B=(d-81)*360/365 d- номер даты от начала года

Также истинное солнечное время отличается от разных часовых поясов, выбранных во многом произвольно. Землю поделили на дольки по 15 град, каждая из которых представляет часовой пояс 360 град/24 часа = 15 град. Но, если посмотреть на карту часовых поясов во многих местах они не соответствуют долькам в 15 град. Люди ввели и понятие летнего и зимнего времени, в разных регионах оно введено по разным правилам.

Поправочный коэффициент времени (TC)

Чистый временной поправочный коэффициент (в мин.) учитывает изменение времени (LST) в пределах нашего часового пояса из-за изменений долготы в пределах того же часового пояса, а также включает в себя EoT показанный выше.

TC = 4*(долгота -LSTM) + EoT

LSTM = 15 град * dTutc

где dTutc -разница во времени между UTC (время Гринвича) и локальным временем.

Множитель четыре минуты проистекает из того, что планета Земля движется, как мы знаем, вокруг своей оси на 1 ° каждые четыре минуты.

Разница между временем (LST Local Solar Time) и средним временем (LT Local Time) (общепринятым) зависти от дня года и показана на графике.

Истинное время (LST) можно рассчитать с помощью 2-х предыдущих поправок, чтобы отрегулировать время местное (LT).

LT = LST + TC/60

HRA = 15град * (LST-12)

Угол склонения

Земля передвигается вокруг солнца и ось земной оси наклонена по отношению к плоскости движения. Угол между плоскостью экватора и плоскостью движения называется углом склонения. Он рассчитывается следующим образом δ=−23.45°×cos((360/365)×(d+10))

Наличие угла склонения привело к сезонам на земле. Наступает лето и солнце освещает часть земли более продолжительное время, повышается температура. На противоположной стороне земли зима, когда солнце поднимается на меньшее количество времени. Весной и осенью наступает время, когда солнце отводит одинаковое количество времени для ночи и дня наступают дни весеннего и осеннего равноденствия.

Ориентация модуля

Так как солнечный модуль закреплен неподвижно на земле, а земля вращается, солнце пробегает по небу и освещает модуль под разными углами. В зимний день солнце располагается ниже над горизонтом чем в летний. Самый короткий путь через атмосферу до модуля солнечный луч проходит, когда солнце находится прямо перед модулем или как, говорят перпендикулярно его поверхности. Это самое выгодное энергоэффективное положение модуля. Солнце сместилось по горизонту и оказалось под все более острым углом к модулю, луч прошел большее расстояние через атмосферу. Он не только пройдет большее расстояние до модуля, но и часть его отразится от поверхности модуля. Эффективность выработки энергии падает. Придумали специальный термин аир масс фактор АМ показывает во сколько раз солнечный луч преодолевает большее расстояние через атмосферу относительно длины его пути вертикально вверх, то есть в зените. АМ фактор используется для стандартизации рабочих характеристик солнечных элементов. Его показатель АМ 1.5 универсален при стандартизации солнечных панелей.

АМ = 1/sin (Fi) где Fi угол подъёма солнца над горизонтом.

Так же изменяется спектр солнечного света при сквозном прохождении света через атмосферу. Из всего вышеперечисленного выработали стандарт измерения солнечного элемента или панели Standard Technical Condition (STC). Измерения проводятся при

• Вертикальная освещенность 1000 Вт на м2

• Температура при измерении 25 град Цельсия

• Спектр света соответствует спектру солнечного света при АМ = 1.5 Зависимость выработки панелей от направления на солнце.

Расчёт количества энергии солнца, получаемой солнечными модулями при падении лучей от солнца под углом, отличающимся от 90°, рассмотрим на таком примере: Площадь освещенной поверхности СБ перпендикулярными лучами примем за 1. Пусть солнечные панели ориентированы на юг, наклон отсутствует. Солнце светит с юго-востока под углом, а (например, 45 градусов). Ширина одного пучка лучей падающих под углом солнечного излучения будет равна x = 1/cos (45)= 1.41, и кол-во солнечной энергии, получаемое модулями, будет равно 1/1.41=71% от мощности, которая была бы получена, если солнце светило только бы с юга.

Также интересна диаграмма (нашел ее на примере феникса аризона). На ней можно увидеть, как отличается количество получаемого солнечного излучения от угла наклона модуля и его азимута. По кругу отмечены градусы поворота модуля относительно направления на юг (азимут модуля). Слева Module tilt отложен градус наклона модуля относительно нормали к поверхности земли. Справа разными цветами GDI. Параметр, показывающий эффективность освещенности для модуля.

Все вышеперечисленные факторы должны браться в расчет при калькуляции солнечной электростанции. На протяжении года и времени суток она будет давать количество электрической энергии. Эффективность ее работы можно оценить с карандашом в руках.