Программное обеспечение для оптимизации параметров ФЭС

Разработка программного обеспечения для оптимизации параметров фотоэлектрических станций.
I. Угол наклона и азимут солнечных панелей
А.Ю. Гаевский, А.Н. Гаевская
НТУУ «Киевский политехнический институт им. Игоря Сикорского»,
пр. Победы, 37, Киев, 03056 Украина, тел./факс +380 44 204 8191,
моб.тел. +380 97 570 4643
e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Development of software for PV plant parameters optimization.
I. The tilt and azimuth angles of solar panels
A.Y. Gaevskii, A.N. Gaevskaya
NTUU «Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
pr. Peremogy, 37, Kiev, 03056 Ukraine, tel./fax +380 44 204 8191,
mob.tel. +380 97 570 4643
e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Аннотация. Разработан алгоритм и программное обеспечение для оптимизации угла на-клона и ориентации солнечных панелей фотоэлектрических станций (ФЭС) в заданном регионе и для определенного календарного рабочего периода. Математическая модель основана на нахождении максимума теоретического выражения для полной суммы радиации на наклонной поверхности, зависящей от наклона и ориентации панелей, а также от солнечных углов для каждого часа рабочего периода. В качестве параметров в выражении присутствуют экспериментальные почасовые данные для сумм радиации на горизонтальной поверхности, предоставляемые метеорологическими станциями. Преобразование к данным на наклонную поверхность осуществляется на основе анизотропных моделей солнечной радиации Хея-Девиса, Рейндла и Ключера. Для автономных ФЭС рассмотрено влияние электрической нагрузки и ограниченной емкости аккумуляторной батареи на величину оптимальных углов наклона и азимута. В работе приведены результаты расчета для нескольких регионов и типичных календарных рабочих периодов ФЭС.

Ключевые слова: фотоэлектрические станции (ФЭС), фотоэлектрические модули, сол-нечная радиация, сумма радиации, инсоляция, анизотропные модели радиации, оптимизация наклона и ориентации, выработка электроэнергии ФЭС.

Summary. This paper proposes an algorithm and the software to optimize the tilt angle and azi-muth orientation of solar panels in photovoltaic (PV) plants for a given region and operational period of time. The mathematical modeling is based on maximization of the theoretical expression for the total insolation on tilted surface with respect to the slope, panel orientation and solar angles for each hour of the operational period. The experimental hour irradiance data on horizontal surface, provided from meteorological stations, are presented as parameters in this expression. The conversion to the inclined surface irradiance values is performed on the framework of anisotropic Hay-Davies, Reindl and Klucher radiation models. For stand-alone PV plants the impact of electrical load and battery capacity constrain on the optimal slope and azimuth is considered. This paper presents the results of the angle calculation for a number of regions and typical operational periods of PV plants.

Keywords: PV plants, PV modules, solar radiation, irradiance, insolation, anisotropic radiation models, tilt angle optimization, azimuth orientation, PV energy yield.


Использование возобновляемых источников электрической энергии, особенно солнечной радиации, демонстрирует в последние годы во всем мире и в Украине значительный рост. Эффективная генерация фотоэлектрическими станциями (ФЭС) возможна лишь при правиль-ном подборе электронного оборудования, фотоэлектрических модулей (ФМ) и их установоч-ных параметров. К последним относятся, в первую очередь, геометрические параметры, опре-деляющие расположение рядов (ФМ): углы наклона, азимутальная ориентация, межрядные расстояния. Панели ФМ располагаются, как правило, под фиксированными углами наклона и азимута, значения которых определяют в итоге приход радиации (инсоляцию) за календарный период работы ФЭС и, следовательно, суммарную выработку электроэнергии.
Оптимизация углов наклона и ориентации приемных поверхностей актуальна как для ФМ, так и для солнечных коллекторов (см., например, [1  4]). К решению этой задачи возможны два основных подхода: экспериментальное определение оптимальных геометрических параметров [5, 6] и теоретические расчеты с использованием тех или иных моделей солнечной радиации [2, 4, 7, 8]. В данной работе в рамках второго подхода разработано программное обеспечение (ПО), позволяющее находить оптимальные углы приемных поверхностей для любого региона и рабочего периода ФЭС. В основе расчета может лежать одна из моделей солнечной радиации, оперирующая с такими экспериментальными данными, как усредненные почасовые значения прямой радиации на горизонтальную поверхность и на поверхность, нормальную к солнечным лучам, а также значения диффузной радиации на горизонтальную поверхность и значения отражательной способности (альбедо) земной поверхности. Чаще всего, для оценки оптимальных углов наклона ФМ и выработки ФЭС используется изотропная модель Лю-Джордана [1, 8, 9]. В разработанном нами ПО были использованы анизотропные модели Хея-Девиса, Рейндла и Ключера [7, 9, 10], которые, как показал дальнейший расчет, дают небольшой разброс значений годовой инсоляции на наклонной поверхности для регионов Украины.

Суммарная выработка электроэнергии ФЭС непосредственно зависит от инсоляции на наклонную поверхность ФМ за рассматриваемый рабочий период. Последняя в рамках рассматриваемых моделей есть функция угла наклона , азимутального угла рядов фотомодулей и рабочего периода станции:

Etot(1)


где  продолжительность рабочего периода, - интенсивность радиации (кВт/м2) на на-клонной поверхности в заданном географическом районе. Эта подынтегральная функция за-висит от названных выше фиксированных углов панелей и , а также от зенитного угла , азимута и часового угла солнца, которые меняются в течение дня, и их значение зависит от номера дня в году. В качестве констант в присутствуют широта и долгота места расположения ФЭС.
Интегрирование в выражении (1) выполняется по всему рабочему периоду, причем нами учитываются все возможные ситуации расположения солнца относительно горизонта (в том числе, когда солнце ниже горизонта, но радиация имеется) и относительно плоскости солнечных панелей (в том числе, когда солнце светит на тыльную сторону панелей). формуле (1) есть фактически усредненное значение инсоляции (кВт•ч/м2), т.е. суммы радиации, которую получает единица площади приемной поверхности за один день рабочего периода . Подынтегральная функция имеет аналитический вид, определяемый той или иной моделью радиации. В качестве параметров в присутствуют интерполяционные поминутные (либо четверть часовые) значения различных компонент радиации – они в списке аргументов не указаны. Интерполяция выполняется на основе почасовых экспериментальных значений инсоляции на горизонтальную плоскость для того или иного месяца, т.е. на основе данных, обычно публикуемых в справочниках (например, [11]) или в открытых для доступа глобальных метеосайтах (например, [12]).

В данной работе создан пакет программ на языке MATLAB для оптимизации функционала (1) по и , позволяющий вычислять оптимальные углы наклона и азимута солнечных панелей для любого рабочего периода и любого региона, для которого имеются относительно полные радиационные данные за продолжительный (многолетний) период времени. Именно такого рода данные гарантируют, на наш взгляд, адекватность получаемых оценок оптимальных углов     и     .

Литература
1. Даффи Дж.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии / Дж.А. Даффи, У.А. Бекман – М.: Мир, 1977. – 420 с.
2. Lewis G. Optimum tilt of solar collectors / G. Lewis // Solar and Wind Technology. - 1978. - v. 4. – p.407-410.
3. Tang R. Optimal tilt-angles for solar collectors used in China / R. Tang, T. Wu // Appl Energy. – 2004. – v.79. – p. 239-248.
4. Calabrò E. An Algorithm to Determine the Optimum Tilt Angle of a Solar Panel from Global Horizontal Solar Radiation / E. Calabrò // Hindawi Publishing Corporation, Journal of Renewable Energy. – 2013. - v. 2013. - Article ID 307547. – 12 pages.
5. Koronakis P. On the choice of the angle of tilt for south facing solar collectors in the Athens ba-sin area / P. Koronakis // Sol Energy. – 1986. – v.36. – p.217-225.
6. Kaldellis J. Experimental investigation of the optimum photovoltaic panel’s tilt angle during the summer period / J. Kaldellis, D. Zafirakis. // Energy. – 2012. – v. 38. – p. 305-314.
7. Loutzenhiser P.G. Empirical validation of models to compute solar irradiance on inclined surfaces for building energy simulation /P.G. Loutzenhiser, H. Manz et al.//Solar Energy. – 2007. – v. 81. – p. 254–267.
8. Гаевский А.Ю. Определение оптимальных углов наклона фотоэлектрических панелей/ А.Ю. Гаевский, О.В. Ушкаленко// Відновлювана енергетика. – 2016.  №1 (44).  с. 21-27.
9. Kalogirou, S. A. Solar Energy Engineering: Processes and Systems . – London: Academic Press, 2009 – 760 p.
10. Noorian A.M. Evaluation of 12 models to estimate hourly diffuse irradiation on inclined surfaces /Ali M.Noorian, I. Moradi, G. Ali Kamali //Renewable Energy. - 2008. - v.33. - p. 1406–1412.
11. Справочник по климату СССР. Украинская ССР. Часть I. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние //Ленинград: Гидрометеорологическое изд. - 1966. – 126 с.
12. NASA Surface meteorology and Solar Energy: Methodology [Электронный ресурс] https://www.ceoe.udel.edu/File%20Library/Research/Wind%20Power/SSE_Methodology.pdf.
13. Гаевский А.Ю. Оптимизационный расчет автономной фотоэлектрической станции / А.Ю. Гаевский, О.В. Ушкаленко // Альтернативная энергетика и экология. – 2015.- №15 – 16 – с. 179 – 180.

Источник: из статьи А. Гаевского