СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2010 года по МПК F24J2/42 

Заявляемое изобретение относится к области солнечной энергетики и в, частности, к солнечным энергетическим установкам с концентраторами солнечного излучения и системами слежения, применяемым, например, в составе электростанций, предназначенных для выработки электроэнергии путем фотоэлектрического преобразования солнечной энергии.

В настоящее время технологиям в области возобновляемых источников энергии уделяется повышенное внимание. Наиболее перспективный метод получения электроэнергии заключается в фотоэлектрическом преобразовании повсеместно доступного, неисчерпаемого солнечного излучения. Бесспорными лидерами по эффективности являются солнечные элементы на основе многопереходных каскадных гетероструктур, экономически выгодное применение которых возможно лишь совместно с концентраторами солнечного излучения, обеспечивающими кратности концентрирования 500-1000. Использование высокоэффективных оптических концентраторов позволяет достигать высокий КПД преобразования солнечного излучения в электричество и сокращать суммарную площадь дорогостоящих солнечных элементов пропорционально кратности концентрирования. Сегодня установки с концентраторами солнечного излучения и многопереходными элементами широко применяются в составе крупных солнечных электростанций, насчитывающих десятки и сотни таких установок, вырабатывающих электроэнергию для передачи в центральную энергосистему. При близком расположении установок в составе электростанции в режиме слежения возникает взаимное затенение, вызывающее сокращение вырабатываемой мощности. Произвольное увеличение расстояния между установками часто оказывается невозможным вследствие ограниченности площади, на которой расположена станция, большой стоимости земли и т.д. Актуальной задачей является корректный выбор расстояния между установками, при котором обеспечивается максимальная эффективность работы электростанции при минимальной занимаемой ею площади земли.

Известна солнечная электростанции на основе следящих за Солнцем фотоэлектрических установок (см. патент US №7381886, кл. H01L 31/0232, опубл. 03.06.2008), размещаемых в виде прямоугольной решетки так, что расстояние между соседними фотоэлектрическими установками в направлении с севера на юг меньше расстояния между соседними фотоэлектрическими установками с запада на восток. Приведены конкретные расстояния для размещения солнечных установок заданного размера и конфигурации.

Недостаток известного решения заключается в невозможности применения рекомендуемых расстояний для установок отличного размера и формы.

Известна солнечная электростанция на основе следящих за Солнцем фотоэлектрических установок (см. М.Garcia et. al. Partial Shadowing, MPPT Performance and Inverter Configurations: Observations at Tracking PV Plants, опубл. в 2008), размещаемых в виде прямоугольной решетки, в которой фотоэлектрические установки располагают на расстоянии 17 м в направлении с севера на юг и 14 м с востока на запад.

Недостаток известного решения заключается в том, что выбор меньшей дистанции между установками с востока на запад, чем с севера на юг, ведет к завышению потерь энергии на восходе и закате Солнца. Кроме того, большее расстояние между установками в направлении с севера на юг приводит к увеличению площади поверхности земли, требуемой для размещения электростанции.

Известна солнечная электростанция на основе следящих установок, состоящих из нескольких фотоэлектрических модулей (см. заявка US №20080236570, МПК F24J 2/38, опубл. 02.10.2008), в которой установки располагают параллельными рядами так, что расстояния между центрами соседних установок образуют равносторонний треугольник, длина стороны которого определяется с использованием среднего значения фактора затенения. Высота установки не должна превышать 2,5 м, соотношение длины и высоты установки устанавливается в диапазоне от 1:1,5 до 1:10.

Недостаток известной солнечной электростанции заключается в том, что выбранные расстояния между установками не гарантируют получение максимальной энергопроизводительности электростанции, так как эти расстояния определяют по среднему значению фактора затенения, вследствие чего не может быть адекватно оценено затенение установок в утренние и вечерние часы дня. Кроме того, ограничение предельной высоты установки в 2,5 м не позволяет применять известное решение при размещении установок большой мощности и соответственно большего размера.

Известна солнечная электростанция, состоящая из панелей фотоэлектрических модулей (см. патент RU 2285209, МПК F24J 2/00, опубл. 10.10.2006), в которой модули размещают друг за другом рядами так, чтобы они были параллельны друг другу длинными торцами, и с технологическим интервалом между рядами таким, чтобы тень от предыдущего ряда панелей фотоэлектрических модулей при оптимальной высоте Солнца не накрывала последующего ряда, а технологический интервал внутри рядов между панелями выполняют не более 0,1...0,15 длины панели фотоэлектрического модуля.

Недостатком известной солнечной электростанции является взаимное затенение панелей фотоэлектрических модулей в течение всего года, особенно в утренние и вечерние часы. Кроме того, расстояния между фотоэлектрическими модулями, принятые в известной солнечной электростанции, не могут быть применены в случае использования следящих за Солнцем фотоэлектрических установок, так как предлагаемое расстояние между установками в ряду слишком мало для их свободного безаварийного движения.

Наиболее близким к заявленному техническому решению по совокупности существенных признаков является солнечная электростанция (см. J.Monedero et. al. Minimizing energy shadow losses for large PV plants, опубл. 2003), принятая за прототип. Известная солнечная электростанция состоит из следящих за Солнцем фотоэлектрических установок, размещаемых в виде прямоугольной решетки с расстоянием Х_зв между соседними фотоэлектрическими установками в направлении с запада на восток, большим расстояния Х_сю между соседними фотоэлектрическими установками в направлении с севера на восток. Выбор расстояния между установками осуществляют по разработанной авторами методике, основанной на учете снижения вырабатываемой электростанцией электроэнергии вследствие затенения установками друг друга. Исходными данными для учета эффекта затенения солнечных установок служат широта φ пункта размещения электростанции, а также площадь световоспринимающей поверхности фотоэлектрической установки. Выбор оптимального расстояния между установками осуществляют по рассчитанному профилю потерь энергии, вырабатываемой электростанцией в течение года.

Недостаток солнечной электростанции - прототипа заключается в том, что расстояния между установками выбраны для идеальных погодных условий при абсолютно чистом небе, т.е. не учтен эффект облачности, который может существенно изменить поступление прямого солнечного излучения на световоспринимающую поверхность установки. Расстояния выбраны для установки с квадратной световоспринимающей поверхностью, вследствие чего они не могут быть применимы для установок со световоспринимающей поверхностью другой формы. При выборе расстояний между фотоэлектрическими установками принималось допущение, что установка не вырабатывает электроэнергию при частичном затенении, что приводит к завышению потерь энергии в утренние и вечерние часы (период максимального затенения), и для снижения этих потерь требуется большая площадь поверхности земли при размещении фотоэлектрических установок.

Задачей заявляемого технического решения являлась разработка такой солнечной электростанции, которая бы обеспечивала максимальную энергопроизводительность фотоэлектрических установок при минимальной площади поверхности земли, требуемой для размещения указанной электростанции на заданной широте φ пункта размещения солнечной электростанции.

Поставленная задача решается тем, что солнечная электростанция состоит из следящих за Солнцем фотоэлектрических установок, размещаемых в виде прямоугольной решетки с расстоянием Х_зв между соседними фотоэлектрическими установками в направлении с запада на восток, большим расстояния Х_сю между соседними фотоэлектрическими установками в направлении с севера на юг, выбираемыми в зависимости от географической широты φ пункта размещения солнечной электростанции и площади световоспринимающей поверхности фотоэлектрической установки. При этом расстояния Х_сю и Х_зв удовлетворяют соотношениям:

где: B=0,0011·φ²-0,0093·φ+2,8616 - световоспринимающая поверхность для определения площади земли, необходимой для размещения 1 м² световоспринимающей поверхности солнечной установки;

S_св - площадь световоспринимающей поверхности фотоэлектрической установки, м²;

К - коэффициент, определяющий соотношение между Х_зв и Х_сю и равный 0,003·φ²-0,002·φ+1,3003;

Площадь S_cэ земли для размещения солнечной электростанции удовлетворяет соотношению:

где: N - количество солнечных установок, шт.

Каждая фотоэлектрическая установка может быть собрана из фотоэлектрических модулей.

Световоспринимающая поверхность каждой фотоэлектрической установки может быть выполнена в виде плоскости или в виде ступеней.

У солнечной электростанции фотоэлектрические установки могут располагаться на земле или на крыше здания.

Указанные выше соотношения для выбора расстояний между установками обеспечивают максимальную энергопроизводительность солнечной электростанции.

Если В больше, чем 0,0011·φ²-0,0093·φ+2,8616, то затенение установками друг друга минимально, но необходимая для размещения электростанции площадь поверхности земли существенно возрастает. Если В меньше, чем 0,0011·φ²-0,0093·φ+2,8616, то увеличивается взаимное затенение установок, особенно в утренние и вечерние часы, и солнечные фотоэлектрические установки в составе электростанции неэффективно функционируют, а также имеются значительные потери электроэнергии.

Если К больше, чем 0,003·φ²-0,002·φ+1,3003, то расстояние между установками в направлении с севера на юг уменьшится, вызывая увеличение затенения установок в дневные часы, если К меньше, чем 0,003·φ²-0,002·φ+1,3003, то расстояние между установками в направлении с востока на запад будет меньше оптимального, что приведет к значительным потерям вырабатываемой установками электроэнергии в утренние и вечерние часы, вследствие их взаимного затенения.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 схематично изображена солнечная электростанция, состоящая из следящих за Солнцем фотоэлектрических установок;

на фиг.2 показан вид сзади на солнечную фотоэлектрическую установку;

на фиг.3 приведен вид сбоку на солнечную фотоэлектрическую установку;

на фиг.4 представлен график изменения величины коэффициента В в зависимости от широты местности;

на фиг.5 приведен вид в аксонометрии солнечной фотоэлектрической установки со ступенчатой световоспринимающей поверхностью.

Заявляемая солнечная электростанция (см. фиг.1) содержит следящие за Солнцем фотоэлектрические установки 1, размещаемые в виде прямоугольной решетки 2. Соседние фотоэлектрические установки 1 расположены на расстоянии Х_сю в направлении с севера на юг и на расстоянии Х_зв в направлении с запада на восток. Расстояние Х_зв больше расстояния Х_сю. Абсолютную величину Х_зв и Х_сю определяют по приведенным выше соотношениям (1) и (2). Каждая фотоэлектрическая установка 1 с площадью световоспринимающей поверхности S_св занимает площадь 3 поверхности земли, равную B·S_св. Общая площадь солнечной электростанции S_сэ равна N·B·S_св. Солнечная фотоэлектрическая установка 1 (см. фиг.2, фиг.3, фиг.5) состоит из световоспринимающей поверхности 4, опоры 5, системы 6 слежения за Солнцем по азимуту и системы 7 слежения за Солнцем по зениту. Пример зависимости коэффициента В от географической широты φ пункта размещения солнечной электростанции приведен на фиг.4.

При работе заявляемой солнечной электростанции фотоэлектрические установки 1, входящие в ее состав, непрерывно следят за Солнцем, улавливая солнечное излучение и преобразуя его в электроэнергию. Вырабатываемая электростанцией электрическая мощность подается в центральную энергосеть. Соседние солнечные фотоэлектрические установки размещают на расстоянии Х_зв и Х_сю друг от друга, что обеспечивает максимально эффективную работу электростанции, при занятии минимальной площади S_сэ поверхности земли.

Использование заявляемого решения при проектировании и оценке энергопроизводительности солнечных электростанций в различных регионах России позволило подобрать параметры оптимального размещения фотоэлектрических установок в составе электростанции, обеспечивающего минимальную площадь занятой земли, при потерях вырабатываемой энергии, не превышающих 10% в год.

Как показывают расчеты, следящая фотоэлектрическая установка в составе солнечной электростанции, расположенной в пункте Краснодар (с координатами - 45° с.ш., 39° в.д.), с площадью световоспринимающей поверхности 4 м² и КПД=25%, при оптимальном размещении Х_зв=3,4 м и Х_сю=5,78 м за год может вырабатывать 1011 кВт·ч электроэнергии.

Изобретение относится к области солнечной энергетики и, в частности, к солнечным энергетическим установкам с концентраторами солнечного излучения и системами слежения, применяемым, например, в составе электростанций, предназначенных для выработки электроэнергии путем фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. Солнечная электростанция включает в себя массив непрерывно следящих за Солнцем фотоэлектрических установок, размещаемых в виде прямоугольной решетки. Расстояния между соседними фотоэлектрическими установками в направлении с севера на юг и с запада на восток определяют на основе соотношений, являющихся функцией географической широты пункта размещения солнечной электростанции. Площадь земли, требуемую для размещения фотоэлектрических установок, определяют в зависимости от широты места эксплуатации электростанции и габаритов световоспринимающей поверхности установки. Такой подход позволяет обеспечить максимальную эффективность преобразования поступающего излучения в электроэнергию, при минимальной площади поверхности земли, требуемой для размещения солнечной электростанции. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Солнечная электростанция, состоящая из следящих за Солнцем фотоэлектрических установок, размещаемых в виде прямоугольной решетки с расстоянием Х_зв между соседними фотоэлектрическими установками в направлении с запада на восток, большим расстояния Х_сю между соседними фотоэлектрическими установками в направлении с севера на юг, выбираемыми в зависимости от географической широты φ пункта размещения солнечной электростанции и площади световоспринимающей поверхности фотоэлектрической установки, при этом расстояние Х_сю и Х_зв удовлетворяют соотношениям:

где B=0,0011·φ²-0.0093·ф+2,8616 - коэффициент для определения площади земли, необходимой для размещения 1 м² световоспринимающей поверхности солнечной установки;
S_св - площадь световоспринимающей поверхности фотоэлектрической
установки, м²;
К=0,003·φ²-0,002·φ+1,3003 - коэффициент, который определяет соотношение между Х_зв и Х_сю;
Х_зв=К·Х_сю, м;
а площадь S_сэ земли для размещения солнечной электростанции удовлетворяет соотношению:
S_сэ=N·B·S_СB, м².
N - количество солнечных установок, шт;

2. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что каждая фотоэлектрическая установка собрана из фотоэлектрических модулей.

3. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что световоспринимающая поверхность каждой фотоэлектрической установки выполнена в виде плоскости.

4. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что световоспринимающая поверхность каждой фотоэлектрической установки выполнена в виде ступеней.

5. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что фотоэлектрические установки расположены на земле.

6. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что фотоэлектрические установки расположены на крыше здания.