Сравнение эффективности отслеживающих и оптимально закрепленных плоских солнечных коллекторов

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12712 (2023) Цитировать эту статью

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы исследуем оптимальную ориентацию фиксированного плоского солнечного коллектора, используя модель ясного неба. Компонента излучения, отраженная от земли и попадающая на поверхность коллектора, игнорируется из-за ее относительно небольшой величины по сравнению с прямым лучом и диффузионными компонентами неба. Аналитические расчеты показывают, что независимо от широты коллектора наиболее эффективный азимутальный угол \(\gamma ^*\) равен 0, что обычно соответствует направлению север-юг. Однако оптимальный угол наклона \(\beta ^*\) зависит как от дня года (DoY), так и от местной широты коллектора. Для широт, типичных для средневысотных климатических зон, мы можем рассчитать оптимальный угол наклона и максимальную энергию, которую коллектор может собрать в течение каждого DoY. Мы сравниваем максимальную ежедневно получаемую энергию, которая представляет собой сумму энергии прямого луча и диффузионной энергии по небу, связанную с этой оптимальной ориентацией, с их соответствующими значениями, когда плоская пластина следует за Солнцем. Относительное увеличение общей энергии из-за слежения за Солнцем критически зависит от DoY: минимальное значение около \(17\%\) в начале зимы и максимальное значение \(40\%\) в течение большого интервала времени.

Такие устройства, как солнечные коллекторы, панели и концентраторы, предназначены для сбора энергии солнечного излучения1,2,3,4,5,6,7. Максимизация их производительности и эффективности имеет решающее значение, и наиболее эффективный способ добиться этого — ориентировать коллектор вдоль солнечного луча, известного как направление нормального излучения (DNI). Однако для этого требуется система слежения, поскольку видимое положение Солнца на небе меняется в течение дня. Хотя системы слежения могут значительно повысить эффективность, они также могут быть дорогими и требовать дополнительной энергии для работы8. Кроме того, их эксплуатация и обслуживание также являются дорогостоящими. Чтобы снизить эти затраты, желательно размещать солнечные коллекторы в фиксированной, но оптимальной ориентации и периодически корректировать эту ориентацию по мере необходимости. Однако поиск оптимальной ориентации — непростая задача и зависит от ряда внешних факторов, включая климатологические и метеорологические условия9,10. Обычно оптимальная ориентация солнечного коллектора определяется эмпирическим путем ежедневно, ежемесячно, ежеквартально или ежегодно. Есть некоторые факторы, которые могут повлиять на количество получаемого солнечного коллектора излучения. Получаемое излучение может зависеть от геометрии и формы солнечного коллектора. Причем это зависит от широты места, дня года, а также климата. В результате определение оптимальной ориентации может оказаться сложным процессом, зависящим от местоположения. Многие солнечные коллекторы имеют плоскую поверхность, например, плоские коллекторы и фотоэлектрические панели, в то время как другие имеют вогнутую кривизну, например, солнечные тарелки или параболические желоба. Однако в случае изогнутых коллекторов эффективная площадь поверхности, подвергающаяся воздействию Солнца (апертура), плоская. Ориентацию коллектора с плоской апертурой можно задать двумя углами наклона \(\beta\) и азимутом \(\gamma\). В последние годы несколько исследовательских групп занимались оптимизацией ориентации солнечных коллекторов в разных местах по всему миру. Использовались различные методы, включая генетические алгоритмы и имитацию отжига. 30,31,32,33,34,35,36,37,38. Подробный обзор см. 39. Большинство статей, посвященных проблеме оптимальной ориентации коллекторов с плоской поверхностью, посвящены локальному и неуниверсальному географическому масштабу. Как правило, предполагается, что в северном (южном) полушарии оптимальная ориентация — южная (северная) и что оптимальный годовой угол наклона должен быть таким же, как местная широта. Однако в других работах предложен более широкий диапазон оптимального угла наклона11,15,16. К сожалению, многие из этих исследований страдают от отсутствия комплексного и строгого математического подхода. В этой статье мы стремимся решить проблему оптимизации солнечных коллекторов фиксированной ориентации, используя строгую математическую основу. Может показаться интуитивно понятным, что оптимальная ориентация коллектора перпендикулярна направлению солнечных лучей в солнечный полдень, поскольку в это время солнечный свет светит почти прямо над головой. Однако, как мы увидим, учитывая вклад энергии прямого облучения в течение дня, включая излучение ранним утром и днем, оптимальный угол наклона отклоняется от этого предположения. Как мы увидим, это решающим образом зависит как от широты, так и от дня года. Общее солнечное излучение, получаемое на земле, состоит из трех основных компонентов: прямого луча, рассеянного по небу и отражения от земли. Хотя вклад отражения от земли незначителен, вклад диффузного излучения неба значителен. В этом исследовании мы фокусируемся на прямом луче и диффузионных компонентах неба и игнорируем отражение от земли. В частности, мы рассчитываем энергетические вклады от прямого луча и диффузного излучения в небе отдельно, причем последнее исследуется с использованием изотропного приближения. В данной работе мы не рассматриваем влияние угла падения излучения на характеристики преобразования солнечной энергии. Например, на эффективность солнечных фотоэлектрических панелей влияет угол, под которым солнечные лучи падают на панель40,41,42, а в солнечных концентраторах невозможно получить диффузионное излучение. Эта важная и сложная проблема требует дальнейшего изучения. Более того, эффективность, зависящая от технологии, может быть интересна для будущих исследований. Здесь наше основное внимание уделяется общей полученной энергии облучения плоского коллектора, а не углублению в детали преобразования энергии и эффективности панели. Эта статья организована следующим образом: в разделе «Некоторые астрономии» представлены некоторые предпосылки математической астрономии; в разделе «Формулировка и методология: оптимальная ориентация плоского коллектора» мы обсуждаем оптимальную ориентацию плоского солнечного коллектора и предоставляем аналитическое решение для оптимальных углов; в разделе «Сравнение со следящей плоской пластиной» мы сравниваем общую энергию, собранную неподвижной плоской пластиной и следящей пластиной, и представляем наши результаты; Раздел «Сравнение с существующими результатами в литературе» посвящен сравнению наших результатов с аналогичными результатами, существующими в литературе. И, наконец, мы завершаем статью некоторыми заключительными замечаниями.