Il boom dello sviluppo dell'industria fotovoltaica nazionale ha portato ad un aumento significativo delle dimensioni e del numero delle centrali fotovoltaiche. Il continuo sviluppo e la maturità del settore hanno inoltre imposto requisiti più elevati per la progettazione delle centrali elettriche. La precedente progettazione estensiva non è più in grado di soddisfare le esigenze di sviluppo odierne. La progettazione raffinata degli impianti fotovoltaici richiede ogni dettaglio per migliorare l'efficienza del sistema della centrale elettrica al fine di ottenere il riconoscimento di proprietari e investitori.
Durante il processo di costruzione e installazione di centrali fotovoltaiche, diverse tecnologie fotovoltaiche e progetti di sistema hanno requisiti diversi per l'angolo di inclinazione e l'orientamento. Per garantire il miglior effetto di generazione di energia, viene spesso definito "l'angolo di inclinazione ottimale". Qual è l'angolo di inclinazione ottimale?
L'angolo tra la superficie del modulo fotovoltaico e il livello del suolo si chiama angolo di inclinazione. La Terra ruota attorno al Sole e, in un periodo di rivoluzione, il punto di luce solare diretta sulla Terra si sposta avanti e indietro tra il Tropico del Cancro e il Tropico del Capricorno. Pertanto la quantità totale di radiazione ricevuta dal piano superficiale dei moduli fotovoltaici varia in base ai diversi angoli di inclinazione. Quando progettiamo le centrali elettriche, generalmente facciamo riferimento ai dati storici della radiazione cumulativa a diversi angoli di inclinazione durante tutto l'anno e scegliamo l'angolo con la radiazione più elevata come progettazione dell'angolo di inclinazione ottimale.
Secondo il "Codice di progettazione per le centrali fotovoltaiche" GB 50797-2012, l'angolo di inclinazione ottimale è definito come la radiazione totale massima annua. Se l'impianto fotovoltaico fisso riceve la massima radiazione totale annua sulla superficie inclinata a questo angolo di inclinazione, allora l'angolo di inclinazione è chiamato angolo di inclinazione ottimale (piuttosto che la massima produzione di energia annuale); Tuttavia, in alcuni scenari, l'angolo di inclinazione ottimale può anche essere l'angolo di inclinazione corrispondente alla produzione di energia annuale più alta, l'angolo di inclinazione corrispondente al rendimento più alto, l'angolo di inclinazione corrispondente alla produzione di energia mensile più alta e altri angoli di inclinazione ottimali calcolati in varie condizioni limitanti. Questo articolo discute principalmente l'angolo di inclinazione con la radiazione totale annuale più elevata.
Perché abbiamo bisogno dell'angolo di inclinazione ottimale?
L'angolo di inclinazione ottimale è progettato principalmente per ricevere più radiazione solare. Per un impianto fotovoltaico inclinato, i diversi angoli di incidenza del sole su di esso si tradurranno in quantità diverse di normale radiazione solare ricevuta per unità di superficie. Maggiore è l'angolo di incidenza (l'angolo perpendicolare alla normale del campo fotovoltaico), minore è la normale radiazione solare ricevuta (a parità di radiazione in ingresso). La variazione dell'angolo di inclinazione del campo fotovoltaico provocherà una variazione dell'angolo di incidenza del sole, influenzando così la sua ricezione della radiazione. Pertanto è necessario ottenere attraverso calcoli teorici l'angolo di inclinazione ottimale in base alla ricezione annuale della radiazione.
Rappresentazione schematica del componente che riceve la radiazione solare
Nel processo di progettazione pratica dell'angolo di inclinazione ottimale, è necessario considerare anche fattori come l'ambiente geografico e naturale del cantiere del progetto. L'impatto dell'angolo di inclinazione sullo scivolamento della neve; L'impatto delle variazioni dell'angolo di inclinazione sulla pressione del vento e sulla resistenza alla pressione della neve dei componenti; Allo stesso tempo, è necessario considerare l’impatto di questi fattori sulla scelta dei materiali dei supporti fotovoltaici e sul peso della fondazione, nonché i cambiamenti nella distanza tra le file anteriore e posteriore causati da angoli eccessivamente elevati, che aumentano i costi del terreno.
Come calcolare l'angolo di inclinazione ottimale?
Il calcolo dell'angolo di inclinazione ottimale richiede la latitudine e la longitudine locali per determinare l'altitudine e l'azimut del sole in ogni momento, e i dati di radiazione media annuale su molti anni per determinare le caratteristiche della radiazione solare locale. Sulla base dei dati di radiazione e dei calcoli di latitudine e longitudine, viene accumulata la ricezione di radiazione totale annuale degli array fotovoltaici con diversi angoli di inclinazione e l'angolo di inclinazione con la radiazione totale annuale più elevata viene selezionato come angolo di inclinazione ottimale. In generale, è possibile utilizzare software come PVsyst per calcolare comodamente e rapidamente l'angolo di inclinazione ottimale.
È consigliabile utilizzare un confronto con una singola variabile per confrontare l’impatto dei diversi angoli di inclinazione sulla produzione di energia. Ma in generale, l'angolo di inclinazione dello stesso componente della centrale è lo stesso angolo e orientamento, e ci sono molti fattori che influenzano quando si confrontano centrali elettriche in diverse regioni. Pertanto, si ritiene di utilizzare un software di progettazione del sistema fotovoltaico per dimostrarlo. I dati meteorologici del suo software provengono dai database meteorologici della NASA e Meteonorm e, attraverso calcoli effettivi, il suo tasso di precisione arriva fino al 99%, un valore di riferimento.
Quali sono i principali fattori che influenzano:
Latitudine e stagione:Determinare l'inclinazione e l'orientamento in base alla latitudine e ai cambiamenti stagionali del luogo, in modo che i moduli fotovoltaici possano ricevere la massima radiazione solare possibile. In generale, nell'emisfero settentrionale, l'angolo di inclinazione può essere impostato come l'angolo di latitudine meno 10-15 gradi e l'orientamento può essere impostato verso sud.
Angolo di altitudine solare:L'angolo di altitudine solare si riferisce all'altezza del sole nel cielo, che varia con il tempo e le stagioni. Studiando i cambiamenti dell'angolo di altitudine solare, selezionando l'inclinazione e l'orientamento, i moduli fotovoltaici possono ricevere la massima radiazione solare in diversi periodi di tempo.
Occlusione dell'ombra:L'occlusione dell'ombra può ridurre l'efficienza della generazione di energia dei moduli fotovoltaici. Nella scelta dell'inclinazione e dell'orientamento è necessario considerare l'ombreggiamento causato da edifici, alberi o altri oggetti. Evitare o ridurre al minimo l'ostruzione in ombra per migliorare l'efficienza della generazione di energia degli impianti fotovoltaici.
Effetto della temperatura:Le alte temperature possono portare ad una diminuzione dell’efficienza dei moduli fotovoltaici. Un'inclinazione e un orientamento appropriati possono aiutare a dissipare il calore dai componenti e ridurre l'impatto degli effetti della temperatura sull'efficienza della generazione di energia.
Utilizzo del suolo:Nella scelta dell'inclinazione e dell'orientamento considerare l'utilizzo del suolo della centrale fotovoltaica. Determinare l'inclinazione e l'orientamento appropriati in base al terreno disponibile o allo spazio edificabile per ottenere la massima efficienza nella produzione di energia.
Ottimizza l'angolo di inclinazione e l'orientamento dei moduli fotovoltaici per migliorare l'efficienza della generazione di energia dei sistemi fotovoltaici.
Ottimizzazione dell'angolo di inclinazione:
Destagionalizzazione:Regolare l'angolo di inclinazione dei moduli fotovoltaici in base ai cambiamenti stagionali del luogo. In inverno, aumentando opportunamente l'angolo di inclinazione è possibile aumentare l'area di contatto tra il pannello fotovoltaico e la luce solare diretta e migliorare l'efficienza della generazione di energia in inverno; In estate l'angolo di inclinazione viene ridotto per ridurre al minimo il potenziale surriscaldamento dei pannelli fotovoltaici causato dalla luce solare diretta durante le alte temperature.
Regolazione della latitudine:Determinare l'angolo di inclinazione ottimale in base alla latitudine della posizione. In generale, sottrarre circa 15 gradi dall'angolo di latitudine è un'impostazione di inclinazione ragionevole che consente ai moduli fotovoltaici di ricevere la massima energia di radiazione solare.
Verso l'ottimizzazione:
Orientamento verso sud:Nell'emisfero settentrionale i moduli fotovoltaici sono orientati verso sud per massimizzare la ricezione della radiazione solare. L'orientamento verso sud garantisce che i moduli fotovoltaici ricevano la massima esposizione solare per la maggior parte del tempo.
Orientamento est-ovest:In alcune situazioni in cui è necessario bilanciare la produzione di energia al mattino e al pomeriggio, i moduli fotovoltaici sono orientati in entrambe le direzioni, aumentando la produzione di energia attraverso il sole obliquo del mattino e della sera.
Sistema di tracciamento:Utilizza un sistema di inseguimento per regolare automaticamente l'orientamento dei moduli fotovoltaici in base al movimento del sole, massimizzando la ricezione della radiazione solare. I sistemi di tracciamento sono generalmente divisi in due tipologie: tracciamento ad asse singolo e tracciamento a doppio asse. Il tracciamento a doppio asse può seguire con maggiore precisione il movimento del sole, ma il costo è più elevato.
Analisi e ottimizzazione delle ombre:
Evita le ombre:Evitare che i moduli fotovoltaici vengano ostruiti dalle ombre di edifici, alberi e altri oggetti circostanti, assicurandosi che i moduli fotovoltaici possano ricevere completamente la luce solare durante tutto il giorno.
Tagliare regolarmente gli alberi:Taglia regolarmente gli alberi circostanti per ridurre l'impatto della loro ombra sui moduli fotovoltaici.
Le tecniche di analisi e ottimizzazione dell'ombra sono cruciali nella progettazione e nel funzionamento degli impianti fotovoltaici.
L'angolo di inclinazione ottimale è fisso e immutabile? È certo che gli impianti fotovoltaici avranno i ricavi più elevati con l’angolo di inclinazione ottimale?
L'angolo di inclinazione ottimale significa un'elevata ricezione delle radiazioni, ma significa anche un ingombro relativamente ampio. Ad esempio, in un'area limitata del sito, al diminuire dell'angolo di inclinazione ottimale, la capacità installata continuerà ad aumentare. Diminuendo l'angolo di inclinazione si ridurrà la produzione di energia, mentre aumentando la capacità installata si aumenterà la produzione di energia. Pertanto, sono necessari ulteriori confronti tecnici ed economici basati sulle condizioni esterne per determinare quale angolo di inclinazione alla fine produce i rendimenti più elevati. Si consiglia che l'angolo di installazione di un tetto piano in cemento generale sia maggiore di 10 gradi, il che è vantaggioso per l'autopulizia dei componenti dell'acqua piovana.
L'angolo di inclinazione ottimale per la generazione di energia non è fisso, infatti è strettamente correlato alla spaziatura degli array. Maggiore è la spaziatura dell'array, più vicino è il valore dell'angolo di inclinazione ottimale della generazione di energia all'angolo di inclinazione ottimale della radiazione. In teoria, se la distanza è abbastanza grande da non essere ostacolata durante tutto l'anno, i valori dei due sono gli stessi.
A causa dell'incertezza del clima, l'angolo di inclinazione ottimale può essere definito solo come angolo di inclinazione ottimale relativo sulla base di dati storici. Innanzitutto, l'angolo di inclinazione ottimale varia a seconda dei dati storici di radiazione. Esistono alcune differenze tra l'angolo di inclinazione ottimale calcolato utilizzando i dati storici di 5-anno e i dati storici di 10-anno; In secondo luogo, i dati medi storici rappresentano un’alta probabilità delle caratteristiche della radiazione locale, ma per un dato anno potrebbe non essere necessariamente la scelta ottimale.
Riepilogo:
(1) L'angolo di inclinazione ottimale è correlato alla latitudine geografica locale. Man mano che la latitudine geografica aumenta verso i poli della Terra avendo come punto di riferimento l'equatore, aumenta gradualmente anche il corrispondente angolo di inclinazione ottimale.
(2) Quando l'angolo di inclinazione aumenta da orizzontale (0 gradi) all'angolo di inclinazione ottimale, la quantità di radiazione ricevuta dalla superficie aumenta di conseguenza e la quantità massima di radiazione viene ricevuta quando viene raggiunto l'angolo di inclinazione ottimale ; Man mano che l'angolo di inclinazione continua ad aumentare, la quantità di radiazione ricevuta dalla sua superficie inizia nuovamente a diminuire, corrispondente ad una graduale diminuzione della produzione di energia.
(3) L'influenza delle radiazioni sulla produzione di energia è relativamente piccola quando l'angolo di inclinazione è entro ± 5 gradi dall'angolo di inclinazione ottimale.
(4) Se progettare l'angolo di inclinazione ottimale deve essere valutato in modo esaustivo in base alle condizioni del sito di installazione e alla fattibilità economica del piano, e non dovrebbe essere progettato alla cieca.
(5) Ottimizzando la spaziatura e l'angolo di inclinazione, l'economia e la produzione di energia della centrale possono essere notevolmente migliorate.