Номер пояса

Часовые пояса

Долгота, град.

Широта, град.

0

Гринвич

0

2
3
4

5
6
7
8
9

г. Санкт – Петербург
г. Волгоград
г. Первоуральск(Свердловская область)
г. Омск
г. Ачинск (Красноярский край)
г. Иркутск
г. Тупик (Читинская область)
г. Хабаровск

30
45
60

75
90
105
120
135

60
49
57

55
56
52,3
55
48,5

Угол наклона солнечной батареи обозначим α (рис.8). Выражение
определяет угол Г между направлением на Солнце и нормалью к плоскости солнечной батареи, где - формулу для определения sinΨ смотрите выше; , а в свою очередь .Формула для cosA определена выше. Стрелками на рис.8 показано направление падения солнечного излучения: 1 – при равноденствии; 2 – летом; 3 – зимой.

На первой ступени проектирования необходимо определить количество солнечного излучения, падающего на солнечную батарею.
Наиболее просто среднее количество солнечного излучения, падающего в течение дня на солнечную батарею, выполненную в виде плоской панели (или солнечной батареи более сложной конфигурации) можно определить по таблицам, в которых приведено количество солнечного излучения, падающего на Землю. В табл.2 приведены значения солнечной радиации для Москвы по месяцам года и ориентации световоспринимающей плоскости в пространстве. Такие данные есть на метеостанциях для каждого города или близлежащей к станции местности (близлежащего города).

Найдем оптимальную величину угла наклона солнечной батареи, расположенной в г.Москва.. Зная инсоляцию в данном географическом месте (см. табл.2), находим, что минимальная энергия солнечных лучей характерна для января и декабря. В эти два месяца склонение Солнца (см. рис.2 - аналемма) составляет  от  -17,5° до -23,5°.Средняя величина склонения определяется через среднее арифметическое косинусов этих углов:

Правильность расчетов можно проверить другим (метод без учета значений инсоляции для данной местности) способом, где зимний угол установки относительно горизонтали находится как сумма географической широты плюс 15 градусов, т.е. в данном случае 55,7° + 15° = 70,7°.
Летний угол, наоборот, есть разность между географической широтой и 15 градусами, 55,7° - 15° = 39,3°.
При точных вычислениях угол наклона летом составит:
средняя величина склонения, определенная через среднее арифметическое косинусов этих углов:

В стационарном положении (без электропривода вращения) панели необходимо ориентировать на юг. Для постоянной эксплуатации выбирают зимний вариант наклона панели (опять же без электропривода вращения). Продолжительность солнечного освещения, выраженную в часах, при условии ясной погоды можно найти из . При δср = - 20,7° она составит:

В декабре при δ = -23,5° минимальная продолжительность солнечного освещения согласно составит 6,72ч. В июне при δ = 23,5° максимальная продолжительность солнечного освещения составит 17,28ч.
На рис.9 показана зависимость продолжительности солнечного освещения Нсо  от склонения Солнца на широте 55.7° согласно выражению . Величины склонений даны в радианах. По графику видно, что продолжительность светлового времени суток возрастает от примерно шести часов зимой до примерно восемнадцати часов летом.

     На рис.10(а, б), рис.11(а, б) и рис.12(а, б) показаны зависимости sinΨ от величины часового угла h при склонении Солнца δ = 0°, δ = 23,5° и δ = - 23,5° соответственно на широте 55,7°, а также соответствующее изменение при этом величины cos А, рассчитанные по и .
Величина часового угла на всех графиках представлена в радианах. Величина cos А показана при изменении sinΨ от его нулевого значения на восходе до максимального значения при наивысшем положении Солнца – зените. При этом абсолютное значение cosА будет также возрастать до своего максимального значения. При изменении положения Солнца от своего наивысшего положения до захода абсолютное значение cosА будет убывать в обратном порядке.

По приведенной выше формуле и определяемым по графикам из рис.10(а, б), рис.11(а, б), рис.12(а, б) значений sinΨ и соответствующих им значений cos А можно определить величину cos Г и найти угол между направлением на Солнце и нормалью к плоскости солнечной батареи.
Результаты вычислений в качестве примера приведены в табл.3 для значения δ = 0°. Аналогично угол Г вычисляется и для других значений склонений.

Из графика на рис.15 видно, что при температуре окружающей среды Токр = - 20°С емкость батареи составит около 75 % расчетной емкости (кривая Iр = 0,03×С пройдет выше кривой Iр = 0,05×С), т.е. около 51,4 Ач, что тем не менее согласуется с расчетными данными, т.к в морозные дни пасмурность отсутствует и для работы устройств в темное время суток данной емкости будет достаточно. В крайнем случае, допустим стопроцентный разряд аккумуляторной батареи. При наличии пасмурных дней в более теплую погоду фактическая емкость будет близка к расчетной.
Все оговоренные условия режима эксплуатации благоприятно отразятся на сроке службы аккумуляторной батареи, что должно составить около семи лет.

Определение минимального времени зарядки аккумуляторной батареи

Для организации непрерывности питания нагрузки необходимо оценить скорость заряда аккумуляторной батареи. На рис.16а,б представлены два процесса, характеризующие процесс разряда и заряда аккумуляторной батареи (АКБ) соответственно. Из рис.16а видно, что при разряде часть напряжения падает на внутреннем сопротивлении батареи Rвнутр, поэтому на выходе напряжение составляет порядка 12 В. Соответственно, при заряде необходимо подать на входные клеммы батареи, с учетом падения напряжения на сопротивлении Rвнутр, повышенное напряжение относительно ЭДС батареи на величину этого падения, что проиллюстрировано на рис.16б. Энергия, расходуемая при разряде батареи, определяется по формуле: . Энергия, затраченная на заряд батареи, составит: В этих выражениях Wр, Uр, Iр, Тр и Wз, Uз, Iз, Тз – мощность, напряжение, сила тока и время в режиме разряда и заряда соответственно. С учетом КПД заряда, равного ηз = 0,8 можно записать следующее равенство:Тогда время заряда составит , т.е. Данный режим будет характерен для летнего периода (+20°С) при наличии перед зарядом двух пасмурных дней, т.е. после двухсуточного разряда. Зарядное напряжение Uз = 14,4 В взято для летнего периода.
В зимний период в морозы (-20°С) пасмурность отсутствует (ясное небо) и время заряда составит (при шести часах работы солнечной батареи и восемнадцати аккумуляторной батареи соответственно) Зарядное напряжение Uз = 15 В взято для зимнего периода. При промежуточных температурах время заряда будет в пределах (1,1 – 3)часа, поэтому расчет не приводится.

Гальванические батареи способны поддерживать на своих шинах почти постоянное напряжение даже при достаточно больших кратковременных перегрузках, характерных для пусковых моментов двигателей. Солнечные элементы этим свойством не обладают. Резкое увеличение отбираемого внешней нагрузкой тока элементов (более чем на 10% превышающего максимальный ток при данных условиях) может привести к временному падению выходного напряжения элементов. В связи с этим необходимо включать аккумуляторную батарею, работающую в переходных режимах. Батарея служит также источником энергии в темное время, а при появлении солнечного излучения  заряжается.
На рис.17 представлена общая структурная схема питания объектов при использовании энергии солнечных батарей. При добавлении в схему питания потребителей переменного тока  систему электроснабжения необходимо дополнить инвертором, показанном на рисунке пунктирной линией. Некоторые виды инверторов совмещают в себе также и функции контроллера заряда-разряда. Для правильной работы всей схемы необходим подбор контроллера заряда-разряда в соответствии с параметрами работы схемы. Выбор осуществляют, исходя из рабочего напряжения аккумуляторной батареи, тока нагрузки и необходимых функций самого контроллера.

Для систем с напряжением аккумуляторной батареи Uб = 12 В отечественные производители выпускают контроллеры типа РЗЗ-12 на различные номинальные токи. Его типовыми функциями являются:
- оптимальный алгоритм заряда;
- динамическую защиту от избыточного заряда;
- защиту от короткого замыкания и холостого хода;
- внутреннюю температурную компенсацию;
- диагностику рабочего статуса;
- индикацию состояния заряда;
- защиту от глубокого разряда;
- определение состояния заряда.
Исходя из максимального тока заряда выбранной аккумуляторной батареи Iз = 16,3 А и номинального тока нагрузки Iн = 1 А, применим в составе системы контроллер заряда-разряда РЗЗ-12-20. Его технические характеристики приведены в табл.4.

Возможно также применение контроллера РЗЗ-12-16 с максимальным током заряда 16А, что незначительно отразится на увеличении минимального времени заряда.  
Для определения суммарно потребляемой нагрузки при расчете мощности солнечной батареи необходимо определить нагрузку питаемого оборудования и мощность заряда батарей. Последняя была определена нами выше и составила Рцикл = 244,5 Вт.
Потребляемая мощность оборудования:где Uн и Iн – напряжение и ток потребления нагрузки соответственно. Потребляемая мощность составитПри определении мощности всей системы необходимо также учесть КПД контроллера заряда-разряда, равный ηк = 93 %. Тогда мощность всей системы, а следовательно и солнечной батареи, определится как, где С учетом двух последних выражений окончательная мощность солнечной батареи составит

Расчет эффективного значения плотности потока солнечного излучения

Определение факторов, влияющих на выходную мощность солнечных элементов

Некоторые наиболее используемые виды солнечных элементов, которые могут быть взяты для расчетов и их характеристики представлены в табл.5.

Все характеристики приведены для стандартных условий измерений:
- освещенность 1000 Вт/м²;
- температура 25°С;
- спектр(атмосферная масса) 1,5.
Используя вышеприведенные характеристики элементов, выберем как наиболее мощные, элементы класса А1.
Размеры солнечной батареи определяют аналитическим, расчетным путем, исходя из физических и электрических свойств. Например, выходной мощности, которыми должна обладать солнечная батарея в наиболее критические моменты эксплуатации времени. Для этого необходимо:
1) определить для выбранных элементов максимальную выходную мощность Pэ отдельного солнечного элемента с учетом факторов, воздействующих на его выходные параметры по формуле: Pэ = P0×S'×FТраб×Fк×Fз×Fб.д×Fг.ф, где P0 – исходная выходная мощность незастекленного солнечного элемента при нормальном падении солнечного излучения (с плотностью, равной одной солнечной константе) и эталонной температуре (25° или 28°С) – 1,65 Вт;
S' = S×cosГ×Fопт – эффективная среднечасовая плотность солнечного излучения с учетом покрытия и неперпендикулярности падения солнечного излучения (выраженная в долях солнечной), вычисленная выше и равная S' = 0,092 кВт/м²; Fк – фактор, учитывающий коммутационные потери (падение напряжения в межэлементных соединениях и электропроводке, связанное с наличием у них активного сопротивления и с его изменением). В большинстве случаев Fк принимает значения от 0,95 до 1,00; FТраб – фактор, учитывающий уменьшение мощности с увеличением рабочей температуры. Температурный коэффициент мощности для выбранных элементов равен βр = 0,48 % / °С, т.е. мощность убывает приблизительно на 1/200 часть своего номинального значения на каждый градус разницы между рабочей  температурой и стандартной. В условиях летней эксплуатации солнечные элементы нагреваются, в среднем, до температуры Траб = 65°С и потери в мощности одного элемента РРэ можно вычислить как: РРэ = βр×(Траб – Т0), где РРэ – потери мощности в процентах относительно номинальной мощности элемента Рэ; βt – температурный коэффициент мощности в процентах; Траб и Т0 – рабочая и стандартная температура соответственно. С учетом этого потери составят

РРэ = 0,48×(65 – 25) = 19,2 (%)

Тогда летний коэффициент FТраб.л можно  определить как , откуда летом

В зимний период допустимо принять Траб = 30°С, тогда РРэ = 0,48×(30 – 25) = 2,4 (%) и Реальное рабочее напряжение солнечного элемента Uраб при его нагреве во время работы (учитываемое летом) находится по формуле  Uраб = Uопт – (Траб – Т0)×βV, где βV = 0,002 В/ °С – коэффициент, учитывающий уменьшение выходного напряжения элемента при его нагреве в пределах 0,002 В на градус, что проиллюстрировано на рис.19.

Исходя из этого, рабочее напряжение одного элемента в летний и зимний период, определяемое выражением Uраб = Uопт – (Траб – Т0)×βV составит соответственно:

Uраб.л = 0,524 – (65 – 25)×0,002 = 0,444 (В)

Uраб.з = 0,524 – (35 – 25)×0,002 = 0,504 (В)

Fд.б – фактор, учитывающий потери в блокировочных диодах и проводах и определяемый уравнением, в котором Vд – падение напряжения на    блокирующем диоде; Vп – падение напряжения в проводах, соединяющих батарею и нагрузку; Vш – напряжение на шинах батареи. Для  нормальной работы контроллера заряда-разряда необходимо, чтобы выходное напряжение на шинах солнечной батареи составляло порядка 17 В. Такое напряжение необходимо для компенсации потерь снижения рабочего напряжения батареи при ее нагреве излучением. Коэффициент Fб.д рассчитывается по формуле:    

С достаточной степенью точности можно принять для солнечных батарей мощностью до 1 кВт Vд + Vп = 1,4 В. Fг.ф – геометрический фактор, называемый иногда отношением проекций. Для плоских солнечных батарей Fг.ф = 1, для цилиндрических и вращающихся Fг.ф = 1/π. При расчете Fб.д получим:

Fз – фактор, учитывающий затенение и равный отношению действительного выходного тока короткого замыкания к его теоретическому значению, полученному для полного числа параллельно соединенных элементов при отсутствии затенения. Ток короткого замыкания пропорционален площади освещенного элемента, поэтому коэффициент Fз можно свести к определению отношения освещенной и полной площадей элементов. Тогда  Fз вычислится как:

где Аосв – освещенная часть элемента, А – общая площадь элемента. При отсутствии тени для полностью освещенного элемента Fз = 1. Учитывая расположение батарей на открытой местности при наличии небольшого снежного покрова зимой и запыленности в летний период допустимо принять  коэффициент Fз = 0,9.
Таким образом, получены следующие значения величин:
Р0 = 1,65 Вт; S' = 0,092(зимой); S' = 0,175(летом) FТраб.з = 0,976;
FТраб.л = 0,808; Fк = 0,99; Fб.д = 0,924; Fг. ф = 1; Fз = 0,9.

Согласно выражению Pэ = P0×S'×FТраб×Fк×Fз×Fб.д×Fг.ф находим мощность одного элемента Рэ при наихудших условиях в зимнее время:

Рэ = 1,65×0,092×0,976×0,99×0,9×0,924×1 = 0,122 (Вт)

Соответственно в летнее время (июнь)                    Рэ = 1,65×0,175×0,808×0,99×0,9×0,924×1 = 0,192 (Вт)

2) определить общее число солнечных элементов:Принимаем предварительно N'общ = 2261 элемент.

В описаниях выше мы провели детальный расчет солнечной батареи на примере нагрузки постоянного тока с питанием 12В и током потребления 1А. Здесь же мы для примера приведем некоторые моменты расчета солнечной батареи для нагрузки переменного тока с напряжением питания 220В. А так как все параметры освещенности солнечных элементов в заданной местности и аспекты теории были показаны в предыдущем разделе, то расчет в этом разделе будет меньше за счет известных ранее полученных данных. А в следующем раделе "Эксплуатация солнечной установки" мы поговорим о сборке и использовании солнечной батареи в условиях окружающей среды.
Возьмем для примера нагруку с активной (не полной) мощностью 500Вт. Пусть нагрузка эта работает кратковременно. Для возможности бесперебойного питания нагрузки нам также понадобится аккумуляторная батарея. Однако, чтобы не приобретать отдельно контроллер заряда-разряда АКБ и инвертор, преобразующий постоянное напряжение солнечной батареи в необходимое нам переменное величиною 220В, можно воспользоваться инвертором с функцией контроллера заряда-разряда АКБ. Таковые специально выпускаются для солнечной энергетики.
В таких случаях для улучшения режима работы аккумуляторной батареи по току рекомендуется повысить ее напряжение, а значит и солнечной батареи соответственно, до 48 В. Ее мощность рассчитывается исходя из мощности заряда аккумуляторной батареи и КПД инвертора (93 %) согласно выражениям Рцикл = Uз×Iз и :

Предварительно количество элементов определяется по Принимаем N'общ.пр = 8620 элементам.
Поскольку фактическое напряжение солнечной батареи определяется выражением Uвых = Nпс×[Uэ – (Траб – Т0)×βV] – (Vд + Vп) количество последовательно соединенных элементов составит:

При нормальном режиме работы аккумуляторной батареи необходимо, чтобы ее рабочий ток составлял не более 25 % от номинальной емкости. При включенной нагрузке с учетом КПД инвертора, равного 93%, величина рабочего тока составит

где ηинв – КПД инвертора; Рпр – номинальная мощность нагрузки; UАКБ – номинальное напряжение аккумуляторной батареи. Величина этого тока составит

Сборка и установка солнечной батареи

Поле того, как определено необходимое количество солнечных элементов, из них необходимо составить модули, дальнейшее соединение которых между собой позволяет быстро замыкать и размыкать отдельные участки батарей в случае, например, ремонта или определения электрических параметров в процессе технического обслуживания батареи при ее эксплуатации. Изготовление модуля является специальным технологическим процессом и производится предприятием-изготовителем при заказе на данное изделие. Размеры модуля, т.е. количество элементов в ряду, определяет заказчик.
Каркасный солнечный модуль выполняется в виде составной панели, заключенной в каркас из анодированного алюминиевого профиля и включает в себя набор бескаркасных модулей, или панелей, смонтированных на общем каркасе. Панель представляет собой фотоэлектрический генератор, состоящий из плиты закаленного стекла с заламинированными на ней элементами. С тыльной стороны панель защищена от внешних воздействий слоем защитной пленки. На внутренней стороне модуля установлен диодный блок для подключения модуля в составе энергосистемы.
Вариант соединения элементов в модуль и блок подключения показаны на левом и правом фото соответственно. На рис.1 показан общий вид сборной солнечной батареи, состоящей из шестидесяти трех отдельных солнечных модулей.После установки модулей на несущую панель их необходимо соединить между собой с помощью межмодульных контактов.      
Опорные конструкции фотоэлектрических модулей изготавливаются из стали с последующей грунтовкой и покраской. Крепление производится при помощи анкерных болтов.

Условия эксплуатации солнечных батарей

В условиях эксплуатации солнечные батареи подвергаются воздействию солнечного излучения, климатических и биологических факторов. Некоторые из них воздействуют в комплексе, другие – обособленно. Взаимосвязь элементов окружающей среды может быть синергетической и антисинергетической. При синергизме результат совместного воздействия превосходит суммарный эффект, который наблюдался бы при действии каждого элемента по отдельности. Антисинергизм, наоборот, смягчает влияние отдельных элементов.
Длительное пребывание в естественной среде обычно ведет к снижению работоспособности солнечных батарей. В условиях эксплуатации батареи важно защитить от сильных ветров, снега и оледенения, коррозии, развитию которой способствуют влага, высокая температура и загрязнения, вносимые из воздуха. Значительное снижение срока службы солнечных батарей вызывает циклическое изменение температуры. Такое явление возникает при появлении облачности, смене времени суток.
Температура солнечных батарей определяется температурой воздуха, количеством теплоты, зависящей от солнечного излучения, от площади поверхности батареи, переизлучающей тепловую энергию в окружающее пространство. В общем случае различные части поверхности батареи имеют равную температуру. Ее распределение зависит от качества герметизации, способа коммутации солнечных элементов, расположения крепежных и установочных деталей, рам, опор, несущих конструкций.
Благоприятно сказываются на работе батарей низкая температура воздуха и умеренный ветер. В этих условиях КПД солнечных элементов повышается. В летний период во время высоких температур воздуха нагрев отдельных элементов может достигать 75°С, поэтому вследствие возникающих при этом внутренних механических перенапряжений, например, в клеящем слое, могут иметь место растрескивание покрытий солнечных элементов или самих элементов. Растрескивание покрытий, обеспечивающих защиту от влаги и механических повреждений, относится к функциональным показателям, т.е. влияющими на характеристики батареи, поэтому при работе на линии в эти дни или перед началом зимнего периода необходимо произвести их осмотр.
Дождь, град, снег, лед – природные явления, в условиях которых непосредственно происходит эксплуатация солнечных батарей.
Дождь в целом безвреден и производит полезное воздействие, освобождая от пыли поверхность солнечных батарей. Снежный покров не поглощает весь поток солнечного излучения, и даже под толстым слоем снега солнечные батареи способны вырабатывать электрическую энергию.
Оледенение солнечных батарей может возникнуть в случае замерзания ранее выпавшего снега, сконденсированной влаги или растаявшего снега, в результате осаждения из воздуха в виде инея и изморози, что случается при сильном ветре. Лед, как и снег, пропускает значительный поток солнечного излучения.
Данные факторы с учетом введенного при расчете коэффициента затенения Fз не окажут ухудшающего воздействия на параметры солнечной батареи.
Песок и пыль могут вызывать наиболее тяжелые последствия в районах с низкой влажностью. Поднимаясь в воздух даже при слабом ветре, пыль может оставаться во взвешенном состоянии многие часы. Во время сильных ветров частицы пыли проникают практически в любое герметически не закрытое место. Песок и пыль могут приводить к деградации материалов, применяемых для герметизации, засорять отверстия, вызывать эрозию красок, покрытий, стекла и пластмасс и даже приводить к короткому замыканию электрических цепей. Поскольку пыль гигроскопична, то ее наличие на металлических поверхностях может усугублять коррозию.
Небольшая запыленность солнечных элементов практически не влияет на пропускание солнечного излучения к элементам, а с учетом повышенной мощности солнечных батарей в летнее время и введения при расчете коэффициента затенения Fз не повлияет на минимальные расчетные выходные параметры батареи. Однако густой слой пыли способен на 10 – 20 % уменьшить выходные параметры батареи, поэтому в районах с большой запыленностью при длительном отсутствии дождей необходимо их протирание. Панели солнечных батарей, транспортируемые на автомобилях, в железнодорожных вагонах, подвергаются длительному воздействию вибрации. Некоторые уровни вибрационных нагрузок при различных видах транспортировки приведены в табл.1