توسعه پررونق صنعت فتوولتائیک داخلی منجر به افزایش قابل توجهی در مقیاس و کمیت نیروگاه های فتوولتائیک شده است. توسعه مستمر و بلوغ صنعت نیز الزامات بیشتری را برای طراحی نیروگاه مطرح کرده است. طراحی گسترده قبلی دیگر نمی تواند نیازهای توسعه امروزی را برآورده کند. طراحی تصفیهشده نیروگاههای فتوولتائیک به تمام جزئیات نیاز دارد تا بازده سیستم نیروگاه را بهبود بخشد تا شناخت مالکان و سرمایهگذاران را به دست آورد.
در طول فرآیند ساخت و نصب نیروگاه های فتوولتائیک، فن آوری های مختلف فتوولتائیک و طراحی سیستم ها دارای الزامات متفاوتی برای زاویه شیب و جهت گیری هستند. برای اطمینان از بهترین اثر تولید برق، اغلب به "زاویه شیب بهینه" اشاره می شود. زاویه شیب بهینه چیست؟
زاویه بین سطح ماژول فتوولتائیک و سطح زمین، زاویه شیب نامیده می شود. زمین به دور خورشید میچرخد و در یک دوره انقلابی، نقطه تابش مستقیم خورشید بر روی زمین بین استوایی سرطان و استوایی برج جدی به عقب و جلو حرکت میکند. بنابراین مقدار کل تابش دریافت شده توسط صفحه سطح ماژول های فتوولتائیک تحت زوایای مختلف شیب متفاوت است. هنگام طراحی نیروگاه ها، ما به طور کلی به داده های تاریخی تابش تجمعی در زوایای شیب مختلف در طول سال اشاره می کنیم و زاویه ای را که بیشترین تابش را دارد به عنوان طراحی زاویه شیب بهینه انتخاب می کنیم.
با توجه به "کد طراحی برای نیروگاه های فتوولتائیک" GB 50797-2012، زاویه شیب بهینه به عنوان حداکثر تابش کل سالانه تعریف می شود. اگر آرایه فتوولتائیک ثابت حداکثر تابش کل سالانه را روی سطح شیبدار در این زاویه شیب دریافت کند، آنگاه زاویه شیب را زاویه شیب بهینه (به جای بالاترین تولید برق سالانه) می نامند. با این حال، در برخی سناریوها، زاویه شیب بهینه میتواند زاویه شیب مربوط به بالاترین تولید برق سالانه، زاویه شیب مربوط به بالاترین بازده، زاویه شیب مربوط به بالاترین تولید برق ماهانه و سایر زوایای شیب بهینه محاسبهشده باشد. تحت شرایط محدود کننده مختلف این مقاله عمدتاً زاویه شیب با بیشترین تابش کل سالانه را مورد بحث قرار می دهد.
چرا به زاویه شیب مطلوب نیاز داریم؟
زاویه شیب بهینه در درجه اول برای دریافت تابش خورشیدی بیشتر طراحی شده است. برای یک آرایه فتوولتائیک کج، زوایای مختلف تابش خورشید بر روی آن، مقادیر متفاوتی از تابش خورشیدی معمولی دریافتی در واحد سطح را در پی خواهد داشت. هر چه زاویه تابش بزرگتر باشد (زاویه عمود بر نرمال آرایه فتوولتائیک)، تابش خورشیدی نرمال کمتری دریافت می شود (برای همان ورودی تابش). تغییر در زاویه شیب آرایه فتوولتائیک باعث تغییر در زاویه برخورد خورشید می شود و در نتیجه بر دریافت تابش آن تأثیر می گذارد. بنابراین لازم است از طریق محاسبات نظری، زاویه شیب بهینه بر اساس دریافت تابش سالانه به دست آید.
نمودار شماتیک اجزای دریافت کننده تابش خورشیدی
در فرآیند طراحی زاویه شیب بهینه در عمل، باید عواملی مانند محیط جغرافیایی و طبیعی محل ساخت پروژه را نیز در نظر گرفت. تاثیر زاویه شیب بر لغزش برف؛ تأثیر تغییر در زاویه شیب بر فشار باد و مقاومت فشار برف قطعات. در عین حال، لازم است تأثیر این عوامل بر انتخاب مصالح براکت فتوولتائیک و وزن فونداسیون و همچنین تغییرات فاصله بین ردیفهای جلو و عقب ناشی از زوایای بیش از حد بالا در نظر گرفته شود که هزینههای زمین را افزایش میدهد.
چگونه زاویه شیب بهینه را محاسبه کنیم؟
محاسبه زاویه شیب بهینه مستلزم تعیین طول و عرض جغرافیایی محلی برای تعیین ارتفاع و آزیموت خورشید در هر لحظه، و میانگین سالانه تابش داده در طول سالهای متمادی برای تعیین ویژگیهای تابش محلی خورشید است. بر اساس دادههای تابش و محاسبات طول و عرض جغرافیایی، دریافت مجموع تابش سالانه آرایههای فتوولتائیک با زوایای شیب مختلف جمعآوری میشود و زاویه شیب با بیشترین تابش کل سالانه به عنوان زاویه شیب بهینه انتخاب میشود. به طور کلی می توان از نرم افزارهایی مانند PVsyst برای محاسبه راحت و سریع زاویه شیب بهینه استفاده کرد.
برای مقایسه تأثیر زوایای شیب مختلف بر تولید برق، استفاده از یک مقایسه متغیر منفرد توصیه میشود. اما به طور کلی، زاویه شیب مولفه نیروگاه یکسان، زاویه و جهت یکسان است و هنگام مقایسه نیروگاهها در مناطق مختلف، عوامل مؤثر زیادی وجود دارد. بنابراین استفاده از نرم افزار طراحی سیستم PV برای نشان دادن آن در نظر گرفته شده است. دادههای هواشناسی نرمافزار آن از پایگاههای اطلاعاتی هواشناسی ناسا و Meteonorm میآید و از طریق محاسبات واقعی، میزان دقت آن به 99 درصد میرسد که قابل رجوع است.
عوامل اصلی موثر در چیست:
عرض جغرافیایی و فصل:شیب و جهت را بر اساس عرض جغرافیایی و تغییرات فصلی مکان تعیین کنید تا ماژول های فتوولتائیک بتوانند حداکثر تابش خورشیدی را دریافت کنند. به طور کلی، در نیمکره شمالی، زاویه شیب را می توان به عنوان زاویه عرض جغرافیایی منهای 10 تا 15 درجه، و جهت را می توان به عنوان سمت جنوب تنظیم کرد.
زاویه ارتفاع خورشیدی:زاویه ارتفاع خورشیدی به ارتفاع خورشید در آسمان اشاره دارد که با زمان و فصول متفاوت است. با مطالعه تغییرات زاویه ارتفاع خورشیدی، انتخاب شیب و جهت، ماژول های فتوولتائیک می توانند تابش خورشیدی را در بازه های زمانی مختلف به حداکثر میزان دریافت کنند.
انسداد سایه:انسداد سایه می تواند بازده تولید برق ماژول های فتوولتائیک را کاهش دهد. هنگام انتخاب شیب و جهت، باید سایه های ناشی از ساختمان ها، درختان یا اشیاء دیگر را در نظر گرفت. برای بهبود راندمان تولید برق نیروگاه های فتوولتائیک از انسداد سایه اجتناب کنید یا آن را به حداقل برسانید.
اثر دما:دمای بالا می تواند منجر به کاهش راندمان ماژول های فتوولتائیک شود. شیب و جهت گیری مناسب می تواند به اتلاف گرما از اجزاء کمک کند و تأثیر دما بر بازده تولید برق را کاهش دهد.
بهره برداری از زمین:هنگام انتخاب شیب و جهت، استفاده از زمین نیروگاه فتوولتائیک را در نظر بگیرید. برای دستیابی به حداکثر راندمان تولید برق، تمایل و جهت گیری مناسب را بر اساس فضای موجود زمین یا ساختمان تعیین کنید.
بهینه سازی زاویه شیب و جهت ماژول های فتوولتائیک برای بهبود راندمان تولید برق سیستم های فتوولتائیک.
بهینه سازی زاویه شیب:
تنظیم فصلی:زاویه شیب ماژول های فتوولتائیک را با توجه به تغییرات فصلی در مکان تنظیم کنید. در زمستان، افزایش زاویه شیب به طور مناسب می تواند سطح تماس بین پانل فتوولتائیک و نور مستقیم خورشید را افزایش دهد و راندمان تولید برق در زمستان را بهبود بخشد. در تابستان، زاویه شیب کاهش می یابد تا گرمای بیش از حد پانل های فتوولتائیک ناشی از نور مستقیم خورشید در دمای بالا به حداقل برسد.
تنظیم عرض جغرافیایی:زاویه شیب بهینه را بر اساس عرض جغرافیایی مکان تعیین کنید. به طور کلی، کم کردن حدود 15 درجه از زاویه عرض جغرافیایی یک تنظیم شیب منطقی است که به ماژول های فتوولتائیک اجازه می دهد حداکثر انرژی تابش خورشیدی را دریافت کنند.
به سمت بهینه سازی:
جهت گیری به سمت جنوب:در نیمکره شمالی، ماژول های فتوولتائیک به سمت جنوب جهت گیری شده اند تا دریافت تابش خورشیدی را به حداکثر برسانند. جهتگیری به سمت جنوب تضمین میکند که ماژولهای فتوولتائیک در بیشتر مواقع حداکثر نور خورشید را دریافت میکنند.
جهت شرق غرب:در برخی شرایط که نیاز به تعادل تولید برق در صبح و بعد از ظهر است، ماژول های فتوولتائیک در هر دو جهت جهت گیری می شوند و تولید برق را از طریق خورشید کج در صبح و عصر افزایش می دهند.
سیستم ردیابی:از یک سیستم ردیابی برای تنظیم خودکار جهت ماژول های فتوولتائیک با توجه به حرکت خورشید استفاده کنید و دریافت تابش خورشیدی را به حداکثر برسانید. سیستم های ردیابی معمولاً به دو نوع تقسیم می شوند: ردیابی تک محوری و ردیابی دو محوره. ردیابی دو محوره می تواند حرکت خورشید را با دقت بیشتری دنبال کند، اما هزینه آن بیشتر است.
تحلیل و بهینه سازی سایه:
اجتناب از سایه ها:از مسدود شدن ماژولهای فتوولتائیک توسط سایههای ساختمانهای اطراف، درختان و سایر اشیاء جلوگیری کنید، و اطمینان حاصل کنید که ماژولهای فتوولتائیک میتوانند به طور کامل نور خورشید را در طول روز دریافت کنند.
درختان را مرتباً کوتاه کنید:درختان اطراف را مرتباً کوتاه کنید تا تأثیر سایه آنها بر روی ماژول های فتوولتائیک کاهش یابد.
تکنیک های تجزیه و تحلیل سایه و بهینه سازی در طراحی و بهره برداری از نیروگاه های فتوولتائیک بسیار مهم است.
آیا زاویه شیب بهینه ثابت و بدون تغییر است؟ آیا مطمئن است که نیروگاه های فتوولتائیک بیشترین درآمد را در زاویه شیب بهینه خواهند داشت؟
زاویه شیب مطلوب به معنای دریافت تابش زیاد است، اما همچنین به معنای ردپای نسبتاً بزرگ است. به عنوان مثال، در یک منطقه محدود سایت، با کاهش زاویه شیب بهینه، ظرفیت نصب شده همچنان افزایش می یابد. کاهش زاویه شیب تولید برق را کاهش می دهد در حالی که افزایش ظرفیت نصب شده باعث افزایش تولید برق می شود. بنابراین، مقایسههای فنی و اقتصادی بیشتری بر اساس شرایط خارجی برای تعیین اینکه کدام زاویه شیب در نهایت بیشترین بازده را به همراه دارد، مورد نیاز است. زاویه نصب سقف تخت سیمانی عمومی بیش از 10 درجه توصیه می شود که برای خود تمیز شوندگی اجزای آب باران مفید است.
زاویه شیب تولید برق بهینه ثابت نیست، در واقع، ارتباط نزدیکی با فاصله آرایه دارد. هرچه فاصله آرایه بزرگتر باشد، مقدار زاویه شیب تولید توان بهینه به زاویه شیب تابش بهینه نزدیکتر است. در تئوری، اگر فاصله به اندازه کافی بزرگ باشد که در طول سال بدون مانع نباشد، مقادیر این دو یکسان است.
با توجه به نامشخص بودن اقلیم، زاویه شیب بهینه را تنها می توان بر اساس داده های تاریخی، زاویه شیب بهینه نسبی نامید. اولا، زاویه تمایل بهینه بسته به داده های تابش تاریخی متفاوت است. تفاوت هایی بین زاویه شیب بهینه محاسبه شده با استفاده از 5-داده های تاریخی سال و 10-داده های تاریخی سال وجود دارد. ثانیا، دادههای میانگین تاریخی احتمال بالایی از ویژگیهای تابش محلی را نشان میدهد، اما برای یک سال معین، ممکن است لزوماً انتخاب بهینه نباشد.
خلاصه:
(1) زاویه شیب بهینه مربوط به عرض جغرافیایی محلی است. همانطور که عرض جغرافیایی به تدریج به سمت قطب های زمین با استوا به عنوان نقطه مرجع افزایش می یابد، زاویه تمایل بهینه مربوطه نیز به تدریج افزایش می یابد.
(2) هنگامی که زاویه شیب از افقی ({1}} درجه) به زاویه شیب بهینه افزایش مییابد، میزان تابش دریافتی توسط سطح بر این اساس افزایش مییابد، و حداکثر مقدار تابش زمانی دریافت میشود که به زاویه شیب بهینه برسد. ; با ادامه افزایش زاویه شیب، میزان تابش دریافتی از سطح آن دوباره شروع به کاهش میکند که مربوط به کاهش تدریجی تولید برق است.
(3) هنگامی که زاویه شیب در 5± درجه زاویه شیب بهینه باشد، تأثیر تابش بر تولید برق نسبتاً کم است.
(4) اینکه آیا برای طراحی زاویه شیب بهینه باید به طور جامع بر اساس شرایط محل نصب و امکان سنجی اقتصادی طرح ارزیابی شود و نباید کورکورانه طراحی شود.
(5) با بهینه سازی فاصله و زاویه شیب، اقتصاد و تولید برق نیروگاه را می توان به طور قابل توجهی بهبود بخشید.