PL249346B1

PL249346B1 - Method of maximizing energy yield from photovoltaic installation and method of mounting solar modules

Info

Publication number: PL249346B1
Application number: PL435069A
Authority: PL
Inventors: Ernest GRODNER; Ernest Grodner; Jakub LEJA; Jakub Leja
Original assignee: Scanthesun Spółka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością
Priority date: 2020-08-24
Filing date: 2020-08-24
Publication date: 2026-03-30
Also published as: PL435069A1; WO2022043880A3; WO2022043880A2

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia przedstawionym na rysunku jest sposób maksymalizacji uzysku energii z instalacji fotowoltaicznej poprzez planowanie rozmieszczenia i ustawienia modułów solarnych na powierzchni dachu budynku, gwarantujący maksymalny uzysk energii przy minimalnej liczbie modułów solarnych. Przedmiotem zgłoszenia jest również sposób montażu modułów solarnych wykorzystujący wspomniany sposób.The subject of the application, shown in the drawing, is a method for maximizing energy yield from a photovoltaic installation by planning the layout and positioning of solar modules on a building's roof, ensuring maximum energy yield with a minimum number of solar modules. The subject of the application also includes a method for installing solar modules using the aforementioned method.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Dziedzina technikiField of technology

Wynalazek dotyczy dziedziny instalacji fotowoltaicznych (P V), a konkretnie sposobu maksymalizacji uzysku energii z instalacji fotowoltaicznej poprzez planowanie rozmieszczenia i ustawienia modułów solarnych na powierzchni dachu budynku, gwarantującego maksymalny uzysk energii przy minimalnej liczbie modułów solarnych, zwłaszcza przeprowadzanego w sposób automatyczny.The invention relates to the field of photovoltaic (PV) installations, and specifically to a method for maximizing energy yield from a photovoltaic installation by planning the arrangement and positioning of solar modules on the roof surface of a building, guaranteeing maximum energy yield with a minimum number of solar modules, especially when carried out automatically.

Stan technikiState of the art

Z dokumentu US 2015/040072 A1 znany jest sposób instalacji modułów solarnych, w którym analizowane są warunki nasłonecznienia dla danej lokalizacji i powierzchni montażowej, obejmujące zarówno promieniowanie bezpośrednie, jak i rozproszone. Na podstawie tych danych określa się optymalną orientację i kąt nachylenia modułów względem powierzchni montażowej oraz wzajemne położenie modułów w celu ograniczenia zacienienia i strat energetycznych. Rozwiązanie to przewiduje także zastosowanie konstrukcji montażowej umożliwiającej adaptację do powierzchni o złożonej geometrii, w szczególności dachów o różnych płaszczyznach nachylenia i obecności elementów przeszkadzających, takich jak kominy, świetliki lub anteny. Sposób według dokumentu US 2015/040072 A1 pozwala na rozmieszczenie modułów w sposób maksymalizujący wykorzystanie dostępnej powierzchni i energii słonecznej, zapewniając jednocześnie stabilność konstrukcji montażowej.US 2015/040072 A1 discloses a method for installing solar modules. This method analyzes solar radiation conditions for a given location and mounting surface, including both direct and diffuse radiation. Based on this data, the optimal orientation and tilt angle of the modules relative to the mounting surface are determined, as well as the relative positioning of the modules to minimize shading and energy losses. This solution also provides for the use of a mounting structure that allows for adaptation to surfaces with complex geometry, particularly roofs with varying slopes and the presence of obstructing elements such as chimneys, skylights, or antennas. The method according to US 2015/040072 A1 allows for the arrangement of modules to maximize the use of available surface area and solar energy, while ensuring the stability of the mounting structure.

Z dokumentu CN 111079073 A znana jest metoda obliczania trójwymiarowego potencjału słonecznego budynku, w której wykorzystywany jest model przestrzenny obiektu obejmujący zarówno powierzchnię dachu, jak i ściany elewacji. W rozwiązaniu tym poszczególne punkty powierzchni budynku reprezentowane są w formie chmury punktów, dla których przeprowadza się analizę zacienienia oraz analizę współczynnika widoczności nieba („sky view factor”). Na podstawie uzyskanych danych geometrycznych wyznaczane jest promieniowanie słoneczne docierające do każdego punktu powierzchni budynku, obejmujące zarówno promieniowanie bezpośrednie, jak i rozproszone, z uwzględnieniem wpływu przeszkód terenowych oraz otaczających obiektów. Następnie dla każdego punktu obliczana jest roczna wartość nasłonecznienia, która pozwala na określenie całkowitego potencjału energetycznego budynku i jego poszczególnych powierzchni.Document CN 111079073 A describes a method for calculating a building's three-dimensional solar potential. This method utilizes a spatial model of the building, encompassing both the roof surface and the façade walls. In this solution, individual points on the building's surface are represented as a point cloud, for which shading and sky view factor analysis are performed. Based on the obtained geometric data, the solar radiation reaching each point on the building's surface is determined, including both direct and diffuse radiation, taking into account the influence of terrain obstacles and surrounding objects. The annual solar radiation value is then calculated for each point, allowing for the determination of the total energy potential of the building and its individual surfaces.

Metoda według dokumentu CN 111079073 A umożliwia uzyskanie dokładniejszej analizy rozkładu promieniowania słonecznego w odniesieniu do geometrii budynku oraz jego otoczenia, co pozwala na bardziej precyzyjne określenie lokalizacji i orientacji elementów instalacji fotowoltaicznej, także na elewacjach budynków.The method according to document CN 111079073 A enables a more accurate analysis of the distribution of solar radiation in relation to the geometry of the building and its surroundings, which allows for a more precise determination of the location and orientation of the photovoltaic installation elements, also on building facades.

Znane w dziedzinie instalacje fotowoltaiczne projektowane są arbitralnie, w oparciu o indywidualną wiedzę instalatora. Zazwyczaj wykorzystuje się w nich uproszczone metody projektowe, w których moduły solarne rozmieszczane są:Conventional photovoltaic installations are designed arbitrarily, based on the installer's individual knowledge. They typically utilize simplified design methods in which solar modules are arranged:

i) w płaszczyźnie dachu (Fig. 1), lub ii) z arbitralnie dobranym nachyleniem względem dachu oraz arbitralnie dobranymi odstę- pami między modułami, iii) w oparciu o dane podręcznikowe dotyczące ustawienia modułów.i) in the roof plane (Fig. 1), or ii) with an arbitrarily selected inclination relative to the roof and arbitrarily selected spacing between modules, iii) based on manual data regarding the arrangement of modules.

Instalacje te wykonywane są bez opartej o metody naukowe optymalizacji przestrzennej mającej na celu maksymalizację sprawności i uzysku energii. W trakcie planowania znanych instalacji nie stosuje się technik pomiarowych oraz metod naukowych w celu maksymalizacji sprawności i nstalacji poprzez analizę przestrzenną.These installations are constructed without scientifically based spatial optimization methods aimed at maximizing efficiency and energy yield. During the planning of existing installations, measurement techniques and scientific methods are not used to maximize efficiency and installation through spatial analysis.

Nie uwzględnia się w nich również lokalnych warunków pogodowych, wpływu zacienienia przez elementy budynku oraz wpływu zacienienia przez sąsiedztwo budynku.They also do not take into account local weather conditions, the influence of shading from building elements and the influence of shading from the building's surroundings.

Projektowanie instalacji fotowoltaicznych za pomocą urządzeń ze stanu techniki służących do projektowania przestrzennego instalacji P V na budynkach nie obejmuje analizy optymalizacji ustawienia przestrzennego modułów solarnych. Nie jest możliwe uzyskanie informacji o najlepszym, tj. najbardziej efektywnym pod względem ilości produkowanej energii, kierunku i rozmieszczeniu modułów solarnych na dachu budynku.Designing photovoltaic installations using state-of-the-art devices for spatial design of PV installations on buildings does not include analysis of the optimal spatial arrangement of solar modules. It is not possible to obtain information about the best, i.e., most efficient, in terms of energy production, orientation, and arrangement of solar modules on the building's roof.

W stanie techniki istnieje zatem zapotrzebowanie na sposoby umożliwiające zaplanowanie, korzystnie w sposób automatyczny, oraz zainstalowanie modułów solarnych, w celu maksymalizacji sprawności modułów solarnych i uzysku energii słonecznej, przy równoczesnej minimalizacji liczby wykorzystywanych w tym celu modułów.There is therefore a need in the art for methods that enable solar modules to be planned, preferably automatically, and installed in order to maximize solar module efficiency and solar energy yield while minimizing the number of modules used for this purpose.

Nieoczekiwanie okazało się, że problemy znane w stanie techniki można rozwiązać dzięki sposobowi według przedmiotowego wynalazku.It has surprisingly turned out that the problems known in the prior art can be solved by the method according to the present invention.

Zalety wynalazkuAdvantages of the invention

Sposób według niniejszego wynalazku polega na, przeprowadzanym korzystnie w sposób automatyczny, wyznaczaniu wpływu geometrii budynku oraz jego sąsiedztwa na przestrzenny rozkład strumienia bezpośredniej i rozproszonej energii słonecznej w miejscu instalacji każdego modułu solarnego.The method according to the present invention comprises determining, preferably in an automatic manner, the influence of the geometry of the building and its vicinity on the spatial distribution of the direct and diffuse solar energy flux at the installation site of each solar module.

Rozwiązanie to umożliwia wyznaczenie sekcji dachu o największym nasłonecznieniu i wyznaczenie najlepszego kierunku ustawienia dla każdego modułu solarnego na powierzchni budynku z uwzględnieniem wzajemnego zacieniania modułów oraz zacienienia przez budynek i jego sąsiedztwo.This solution allows for determining the roof section with the greatest solar exposure and determining the best orientation for each solar module on the building surface, taking into account the mutual shading of the modules and the shading from the building and its surroundings.

Sposób ten pozwala na, korzystnie automatyczne, uzyskanie planu rozmieszczenia przestrzennego modułów tj. ich orientacji na dachu; tak aby zagwarantować największy uzysk energii elektrycznej przy minimalnej liczbie stosowanych modułów solarnych, co zapewnia oszczędności materiałowe, bardziej wydajne wykorzystanie odnawialnych źródeł energii i w związku z tym obniżenie kosztów produkcji energii z tych źródeł.This method allows, preferably automatically, obtaining a spatial arrangement plan of the modules, i.e. their orientation on the roof; so as to guarantee the highest electrical energy yield with the minimum number of solar modules used, which ensures material savings, more efficient use of renewable energy sources and therefore a reduction in the costs of energy production from these sources.

Istota wynalazkuThe essence of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób maksymalizacji uzysku energii z instalacji fotowoltaicznej przy minimalnej liczbie modułów solarnych charakteryzujący się tym, żeThe subject of the invention is a method of maximizing energy yield from a photovoltaic installation with a minimum number of solar modules, characterized in that

a) za pomocą procesora wyznacza się wpływ geometrii budynku na rozkład przestrzenny bezpośredniego promieniowania słonecznego,a) the processor determines the influence of the building geometry on the spatial distribution of direct solar radiation,

b) za pomocą procesora wyznacza się wpływ geometrii budynku na rozkład przestrzenny rozproszonego promieniowania słonecznego pomniejszonego o rozkład przestrzenny zacienienia poprzez b1) wyznaczanie redukcji kąta bryłowego półsfery nieba w wybranych punktach na dachu budynku i w otoczeniu budynku, b2) określanie wpływu geometrii budynku na redukcję ilości energii uzyskiwanej z promieniowania rozproszonego,b) using the processor, the influence of the building geometry on the spatial distribution of diffuse solar radiation reduced by the spatial distribution of shading is determined by b1) determining the reduction of the solid angle of the sky hemisphere at selected points on the building roof and in the building's surroundings, b2) determining the influence of the building geometry on the reduction of the amount of energy obtained from diffuse radiation,

c) za pomocą procesora określa się najlepszy kierunek, przy czym najlepszy kierunek to kierunek ustawienia modułu solarnego dla którego uzysk energii w wybranym przedziale czasu jest największy,c) the best direction is determined using a processor, where the best direction is the direction of the solar module for which the energy yield in the selected time period is the highest,

d) za pomocą procesora określa się orientację i rozmieszczenie modułów solarnych na powierzchni dachu.d) the processor determines the orientation and arrangement of solar modules on the roof surface.

Korzystnie etap a) sposobu obejmuje:Preferably, step a) of the method comprises:

a1) wyznaczanie trajektorii ruchu Słońca na niebie dla każdego dnia dla ustalonego przedziału czasu, a2) uzyskiwanie danych dotyczących pochłaniania i rozpraszania energii słonecznej w lokalizacji geograficznej instalacji, a3) wyznaczanie kierunków i strumieni energii bezpośredniego promieniowania słonecznego docierającego do wybranych punktów na dachu budynku i w otoczeniu budynku na podstawie połączenia uzyskanych danych dotyczących trajektorii Słońca z danymi dotyczącymi pochłaniania i rozpraszania energii słonecznej, a4) wykonywanie analizy geometrycznej wpływu kształtu budynku na nasłonecznienie bezpośrednie i wynikające z niego zacienienie.a1) determining the trajectory of the Sun’s movement in the sky for each day for a set time period, a2) obtaining data on the absorption and dispersion of solar energy in the geographical location of the installation, a3) determining the directions and energy fluxes of direct solar radiation reaching selected points on the roof of the building and in the building’s surroundings based on combining the obtained data on the Sun’s trajectory with data on the absorption and dispersion of solar energy, a4) performing a geometric analysis of the influence of the building’s shape on direct sunlight and the resulting shading.

Korzystnie etap c) sposobu obejmuje:Preferably, step c) of the method comprises:

c1) przeprowadzenie analizy zbiorczej danych zebranych w etapach a) i b) dla wybranego przedziału czasu, c2) wyznaczenie całkowitego przebiegu nasłonecznienia i jego rozkładu przestrzennego w danym przedziale czasowym, c3) wyznaczenie wpływu geometrii budynku i jego sąsiedztwa na rozkład i przebieg nasłonecznienia.c1) conducting a collective analysis of the data collected in stages a) and b) for a selected time period, c2) determining the total course of insolation and its spatial distribution in a given time period, c3) determining the influence of the geometry of the building and its vicinity on the distribution and course of insolation.

Korzystnie, przedział czasowy wynosi 12 miesięcy.Preferably, the time frame is 12 months.

Korzystnie, określenie kierunku ustawienia co najmniej jednego modułu solarnego w etapie c4) obejmuje określanie jego nachylenia względem dachu budynku oraz azymutu.Preferably, determining the orientation of at least one solar module in step c4) comprises determining its inclination relative to the roof of the building and its azimuth.

Korzystnie, etap d) sposobu obejmuje:Preferably, step d) of the method comprises:

dl) rozplanowanie rozmieszczenia modułów solarnych na całej powierzchni dachu uwzględniającego kąt nachylenia każdego modułu solarnego względem dachu oraz odstępy między modułami solarnymi, d2) przyporządkowanie każdemu modułowi solarnemu nachylenia względem powierzchni dachu gwarantującego największy uzysk energii z uwzględnieniem wpływu pozostałych modułów solarnych.dl) planning the arrangement of solar modules on the entire roof surface, taking into account the angle of inclination of each solar module relative to the roof and the spacing between solar modules, d2) assigning each solar module an inclination relative to the roof surface that guarantees the highest energy yield, taking into account the influence of the other solar modules.

Korzystnie, etap d) sposobu obejmuje dodatkowo d3) wybór początkowego i końcowego punktu przedziału czasowego.Preferably, step d) of the method further comprises d3) selecting a starting and ending point of the time interval.

Korzystnie, obejmuje po etapie b) dodatkowy etap e) wyznaczania obszarów na powierzchni dachu, na których możliwy jest montaż modułów solarnych.Preferably, it comprises, after step b), an additional step e) of designating areas on the roof surface where solar modules can be installed.

Korzystnie, etap e) sposobu obejmuje:Preferably, step e) of the method comprises:

e1) przeprowadzenie analizy całej powierzchni dachu, uwzględniającej przeszkody takie jak kominy, otwory okienne i podobne elementy, oraz e2) wyznaczanie co najmniej jednej powierzchni płaskiej odpowiedniej do montażu co najmniej jednego modułu solarnego oraz obszarów, w których instalacja modułów solarnych jest wykluczona lub utrudniona.e1) carrying out an analysis of the entire roof surface, taking into account obstacles such as chimneys, window openings and similar elements, and e2) determining at least one flat surface suitable for the installation of at least one solar module and areas where the installation of solar modules is excluded or difficult.

Korzystnie, co najmniej jeden etap lub podetap sposobu realizowany jest automatycznie. Korzystnie, każdy etap i podetap sposobu realizowany jest automatycznie.Preferably, at least one step or substep of the method is performed automatically. Preferably, each step and substep of the method is performed automatically.

Opis figurDescription of the figures

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania przedstawiony jest na rysunku na którym:The subject of the invention in an embodiment is shown in the drawing in which:

Figura 1 przedstawia rezultaty znanego ze stanu techniki sposobu rozmieszczenia modułów solarnych w płaszczyźnie dachu,Figure 1 shows the results of the prior art method of arranging solar modules in the roof plane,

Figura 2 przedstawia etap wyznaczania wpływu geometrii budynku na rozkład przestrzenny promieniowania bezpośredniego,Figure 2 shows the stage of determining the influence of building geometry on the spatial distribution of direct radiation,

Figura 3 ilustruje etap wyznaczania wpływu geometrii budynku na rozkład przestrzenny promieniowania rozproszonego,Figure 3 illustrates the stage of determining the influence of building geometry on the spatial distribution of diffuse radiation,

Figura 4 ilustruje etap planowania ustawienia orientacji i rozmieszczenia modułów na powierzchni dachu,Figure 4 illustrates the planning stage for setting the orientation and arrangement of modules on the roof surface,

Figury 5A i 5B przedstawiają orientację i rozmieszczenie modułów solarnych w zależności od sezonu (pory roku),Figures 5A and 5B show the orientation and arrangement of solar modules depending on the season,

Figura 6 ilustruje etap wyznaczania regionów na powierzchni dachu, na których możliwy jest montaż modułów solarnych,Figure 6 illustrates the step of designating regions on the roof surface where solar modules can be installed,

Figura 7 ilustruje dach budynku, na którym testowano sposób według wynalazku zgodnie z Przykładem 1,Figure 7 illustrates the roof of a building on which the method of the invention was tested according to Example 1,

Figura 8 ilustruje dach budynku z Figury 7 z nałożonym planem rozmieszczenia modułów solarnych uzyskanym zgodnie ze sposobem według wynalazku,Figure 8 illustrates the roof of the building of Figure 7 with a superimposed solar module layout obtained in accordance with the method of the invention,

Figura 9 ilustruje dach budynku, na którym testowano sposób według wynalazku zgodnie z Przykładem 2,Figure 9 illustrates the roof of a building on which the method of the invention was tested according to Example 2,

Figura 10 przedstawia moduły solarne z Figury 9 z informacjami dotyczącymi sumarycznego uzysku energii dla poszczególnych modułów.Figure 10 shows the solar modules from Figure 9 with information regarding the total energy yield for individual modules.

Szczegółowy opis wynalazkuDetailed description of the invention

Moduł solarny, określany w niniejszym dokumencie również jako „moduł”, „panel fotowoltaiczny” i „panel” oznacza ogólnie urządzenie umożliwiające zamianę energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną.A solar module, also referred to herein as a "module", "photovoltaic panel" and "panel", generally means a device capable of converting solar radiation energy into electrical energy.

Stosowane w niniejszym opisie określenie ‘orientacja modułu’ oznacza położenie kątowe modułu względem powierzchni dachu, określone przez kierunek normalny do jego powierzchni i relację do lokalnego nachylenia dachu.As used herein, the term 'module orientation' means the angular position of the module relative to the roof surface, defined by the direction normal to its surface and the relationship to the local roof slope.

‘Rozmieszczenie modułów’ oznacza plan przestrzennego ułożenia modułów na powierzchni dachu, obejmujący pozycje i odstępy między modułami.‘Module layout’ means the spatial arrangement plan of modules on the roof surface, including the positions and spacing between modules.

W pierwszym aspekcie przedmiotowy wynalazek dotyczy sposobu maksymalizacji uzysku energii z instalacji fotowoltaicznej.In a first aspect, the present invention relates to a method of maximizing energy yield from a photovoltaic installation.

PL 249346 Β1PL 249346 Β1

Sposób według pierwszego aspektu wynalazku umożliwia maksymalizację uzysku energii z instalacji fotowoltaicznej przy zastosowaniu minimalnej liczby modułów solarnych. Sposób ten jest korzystnie prowadzony w sposób automatyczny i polega na przeprowadzaniu następujących etapów na podstawie planu przestrzennego budynku:The method according to the first aspect of the invention enables the maximization of energy yield from a photovoltaic installation using a minimum number of solar modules. The method is preferably carried out automatically and comprises the following steps based on a building layout:

Etap a)Stage a)

Wyznaczanie wpływu geometrii budynku na rozkład przestrzenny bezpośredniego promieniowania słonecznego (Fig. 2).Determining the influence of building geometry on the spatial distribution of direct solar radiation (Fig. 2).

Promieniowanie bezpośrednie to część promieniowania słonecznego dochodzącego do danej powierzchni (w szczególności do powierzchni Ziemi), która przechodzi przez atmosferę bez oddziaływań takich jak na przykład zjawiska rozproszenia, odbicia, itp.Direct radiation is the part of solar radiation reaching a given surface (in particular the Earth's surface) that passes through the atmosphere without any interactions such as scattering, reflection, etc.

W etapie tym na początku na podstawie danych dotyczących położenia geograficznego budynku wyznacza się trajektorię 1 ruchu Słońca na niebie dla każdego dnia roku. Położenie geograficzne budynku (np. w postaci długości i szerokości geograficznej) określa trajektorię 1 ruchu Słońca na niebie jako azymut i kąt wzniesienia słońca nad horyzontem wfunkcji czasu dla każdego dnia roku. Trajektoria 1 ruchu Słońca określa kierunek wfunkcji czasu, z którego dociera bezpośrednie promieniowanie słoneczne. Kierunek ten wraz danymi naziemnymi lub satelitarnymi (takimi jak np. NASA https://power.larc.nasa.gov/dataaccess-yiewer/, COPERNICUS https://ads.atmosphere.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/cams-solar-radiationtimeseries?tab-overview) dotyczącymi nasłonecznienia bezpośredniego na powierzchni Ziemi określają wektor strumienia bezpośredniej energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi w miejscu położenia budynku 2 (Wzór 1):In this stage, the trajectory 1 of the Sun's motion in the sky is initially determined based on data regarding the building's geographical location. The building's geographical location (e.g., in the form of longitude and latitude) determines the trajectory 1 of the Sun's motion in the sky as azimuth and the angle of elevation of the Sun above the horizon as a function of time for each day of the year. The trajectory 1 of the Sun's motion determines the direction as a function of time from which direct solar radiation arrives. This direction, together with ground-based or satellite data (such as NASA https://power.larc.nasa.gov/dataaccess-yiewer/, COPERNICUS https://ads.atmosphere.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/cams-solar-radiationtimeseries?tab-overview) regarding direct insolation at the Earth's surface, determine the vector of the direct solar energy flux reaching the Earth's surface at the location of building 2 (Formula 1):

(1) gdzie oznacza wartość strumienia promieniowania bezpośredniego (wyrażoną w W/m²) wfunkcji czasu dopasowaną do danych satelitarnych lub naziemnych, która uwzględnia pochłanianie i rozpraszanie atmosferyczne, a oznacza kierunek wfunkcji czasu z którego dociera promieniowanie bezpośrednie.(1) where is the value of the direct radiation flux (expressed in W/m ² ) as a function of time adjusted to satellite or ground data, which takes into account atmospheric absorption and scattering, and is the direction as a function of time from which the direct radiation arrives.

Dane dotyczące lokalizacji geograficznej mogą być wprowadzane ręcznie albo pozyskane z systemu lokalizacji takiego jak GPS lub usług typu Google Maps.Geographic location data can be entered manually or obtained from a location system such as GPS or services like Google Maps.

Na końcu wykonuje się analizę geometryczną wpływu kształtu budynku na nasłonecznienie bezpośrednie i wynikające z niego zacienienie 4. W danym (dowolnym) punkcie 3 na powierzchni budynku lub w dowolnym położeniu przestrzennym względem budynku, wektor strumienia bezpośredniej energii słonecznej ^DIR^)w funkcji czasu wyznacza przedział czasu [ti, t2], w którym wektor ten przecina powierzchnie elementów budynku 4 lub widocznego z punktu otoczenia budynku. W przedziale czasu [ti, t2], strumień energii bezpośredniej nie dociera do wybranego punktu Wpływ zacienienia przez element budynku na nasłonecznienie bezpośrednie w wybranym punkcie wyznaczany jest przez przyjęcie _w przedziale czasu [ti, t2], w którym bezpośredni strumień energii słonecznej nie dociera do punktu .Finally, a geometric analysis of the influence of the building shape on direct insolation and the resulting shading 4 is performed. At a given (arbitrary) point 3 on the building surface or at any spatial location relative to the building, the direct solar energy flux vector ^DIR^) as a function of time determines the time interval [ti, t2] in which this vector intersects the surfaces of building elements 4 or the point visible from the building's surroundings. In the time interval [ti, t2], the direct energy flux does not reach the selected point. The influence of shading by a building element on direct insolation at a selected point is determined by assuming _in the time interval [ti, t2] in which the direct solar energy flux does not reach the point .

Jako wynik tego etapu sposobu uzyskiwane są wektory strumieni bezpośredniej energii słonecznej ^DIR^P) wfunkcji czasu t docierającej do wybranych punktów na powierzchni budynku lub w otoczeniu budynku, uwzględniające zacienienie przez przeszkody widoczne z punktuAs a result of this step of the method, vectors of direct solar energy fluxes ^DIR^P) as a function of time t reaching selected points on the building surface or in the building's surroundings are obtained, taking into account shading by obstacles visible from the point of view.

Etap bStage b

Wyznaczanie wpływu geometrii budynku na rozkład przestrzenny rozproszonego promieniowania słonecznego (Fig. 3).Determining the influence of building geometry on the spatial distribution of diffuse solar radiation (Fig. 3).

Promieniowanie rozproszone stanowi niemal połowę dostępnej energii słonecznej i dociera do modułów solarnych ze wszystkich kierunków zawartych w kącie bryłowym widocznej części nieba. Promieniowanie rozproszone powstaje wskutek takich zjawisk jak np. rozproszenie i odbicie promieniowania bezpośredniego. W przypadku braku zacienienia rozproszone promieniowanie słoneczne dociera do dowolnie wybranego punktu ze wszystkich kierunków zawartych w półsferze ponad płaszczyzną poziomą na której znajduje się budynek.Diffuse radiation constitutes almost half of available solar energy and reaches solar modules from all directions within the solid angle of the visible part of the sky. Diffuse radiation is caused by phenomena such as the scattering and reflection of direct radiation. In the absence of shading, diffuse solar radiation reaches any point from all directions within the hemisphere above the horizontal plane on which the building is located.

PL 249346 Β1PL 249346 Β1

W celu określenia wpływu geometrii budynku na redukcję ilości energii uzyskiwanej z promieniowania rozproszonego wyznacza się redukcję kąta bryłowego półsfery nieba.In order to determine the effect of building geometry on the reduction of the amount of energy obtained from diffuse radiation, the reduction of the solid angle of the sky hemisphere is determined.

Rozkład kątowy promieniowania rozproszonego w funkcji czasu określony jest przez wielkości pomiarowe uzyskane z naziemnych lub satelitarnych danych pomiarowych nasłonecznienia rozproszonego na powierzchni gruntu dla danej lokalizacji geograficznej (takich jak np. wspomniane dane NASA i/lub COPERNICUS).The angular distribution of diffuse radiation as a function of time is determined by measurement quantities obtained from ground-based or satellite measurement data of diffuse insolation on the ground surface for a given geographical location (such as the aforementioned NASA and/or COPERNICUS data).

Rozkład kątowy gdzie s jest dowolnym kierunkiem (np. określonym przez azymut i kąt nachylenia względem płaszczyzny poziomej) a t oznacza czas, określony na podstawie naziemnych lub satelitarnych danych pomiarowych nie uwzględnia zacienienia przez bryłę budynku.The angular distribution where s is an arbitrary direction (e.g. defined by azimuth and inclination angle relative to the horizontal plane) and t is time, determined on the basis of ground or satellite measurement data, does not take into account shading by the building body.

Wpływ zacienienia na nasłonecznienie rozproszone w danym punkcie na powierzchni budynku 5 lub w dowolnym położeniu przestrzennym względem budynku wyznaczany jest przez wykluczenie z półsfery nieba kąta bryłowego (Ω) 6 zadanego przez wszystkie przeszkody 7 (takie jak na przykład komin, anteny itp.) widoczne z danego punktu.The influence of shading on the scattered solar radiation at a given point on the surface of the building 5 or at any spatial position relative to the building is determined by excluding from the sky hemisphere the solid angle (Ω) 6 given by all obstacles 7 (such as chimneys, antennas, etc.) visible from a given point.

Wykluczenie to realizuje się przez przyjęcie, że - q d|_a wszystkich kierunków zawartych w kącie bryłowym (Ω). Jako wynik tego etapu sposobu uzyskiwany jest rozkład przestrzenny promieniowania rozproszonego ^IFf(^^) w wybranych punktach na powierzchni lub w otoczeniu budynku, uwzględniający zacienienie przez przeszkody widoczne z punktówThis exclusion is achieved by assuming that - qd| _a of all directions included in the solid angle (Ω). As a result of this step of the method, the spatial distribution of diffuse radiation ^IFf(^^) is obtained at selected points on the surface or in the building's surroundings, taking into account the shading by obstacles visible from the points

W pierwszym etapie w dowolnym punkcie przestrzennym 5 w otoczeniu budynku wyznaczany jest kąt bryłowy 6 zasłonięty przez przeszkody 7. Na jego podstawie określa się wpływ geometrii budynku na redukcję ilości energii uzyskiwanej z promieniowania rozproszonego.In the first stage, at any spatial point 5 in the building's surroundings, a solid angle 6 obscured by obstacles 7 is determined. On this basis, the influence of the building geometry on the reduction of the amount of energy obtained from diffuse radiation is determined.

Pomiary kątów bryłowych prowadzone są przy wykorzystaniu dowolnej metody znanej znawcy dziedziny wynalazku lub znanej w stanie techniki.Solid angle measurements are performed using any method known to a person skilled in the art or known in the art.

Etap c)Stage c)

Określanie najlepszego kierunku i rozmieszczenia modułów na powierzchni dachu.Determining the best direction and arrangement of modules on the roof surface.

W pierwszym kroku (c1) wykonuje się analizę zbiorczą dla wybranego przedziału czasu (np. dla całego roku) danych zebranych w etapach a) i b), uwzględniającą zmiany nasłonecznienia bezpośredniego w wyniku zmiennej trajektorii Słońca wciągu roku, zmiany nasłonecznienia rozproszonego w wyniku zmiennej wysokości Słońca na półsferze nieba w ciągu roku, pochłanianie i rozpraszanie atmosferyczne na podstawie pomiarów satelitarnych. Na podstawie tej analizy wyznacza się całkowity przebieg nasłonecznienia w wybranym przedziale czasu (np. około 12 miesięcy) i jego rozkład przestrzenny.In the first step (c1), a collective analysis is performed for a selected time period (e.g., for the entire year) of the data collected in steps a) and b), taking into account changes in direct insolation due to the variable solar trajectory throughout the year, changes in diffuse insolation due to the variable solar altitude on the sky hemisphere throughout the year, and atmospheric absorption and scattering based on satellite measurements. Based on this analysis, the total solar radiation course over the selected time period (e.g., approximately 12 months) and its spatial distribution are determined.

Analiza zbiorcza uwzględnia wpływ geometrii budynku i jego otoczenia na rozkład i przebieg nasłonecznienia. Strumień bezpośredniej energii słonecznej jak też rozkład kątowy strumienia energii rozproszonej które uwzględniają wpływ zacienienia, określają ilość energii słonecznej padającej na moduły solarne. Uzyskanie informacji o ilości energii i mocy wyjściowej wyprodukowanej przez moduły solarne wymaga dodatkowo uwzględnienia sprawności modułów w zależności od kąta padania światła słonecznego gdzie ^jest kierunkiem padania światła w układzie odniesienią modułu solarnego. Kierunek padania światła zależy od kierunku ustawienia modułu , jak też kierunku , z którego dociera bezpośrednie i rozproszone promieniowanie słoneczne 5 (Wzór 2):The collective analysis takes into account the influence of the building geometry and its surroundings on the distribution and course of solar radiation. The direct solar energy flux and the angular distribution of the diffuse energy flux, which take into account the influence of shading, determine the amount of solar energy incident on the solar modules. Obtaining information about the amount of energy and power output produced by solar modules requires additional consideration of the module efficiency depending on the angle of sunlight incidence, where ^ is the direction of light incidence in the solar module's reference frame. The direction of light incidence depends on the module orientation, as well as the direction from which direct and diffuse solar radiation arrives (Formula 2):

A’ = Mi?, ’ (2)A’ = Mi?, ’ (2)

W przypadku modułów płaskich kierunek W ich ustawienia określony jest np. przez azymut i kąt wzniesienia normalnej do powierzchni modułu. W przypadku modułów niepłaskich W jest dodatkowo funkcją parametrów związanych z obrotami modułu wokół osi normalnej do ich powierzchni.In the case of flat modules, the orientation direction W is determined, for example, by the azimuth and elevation angle of the normal to the module's surface. In the case of non-flat modules, W is additionally a function of parameters related to the module's rotation around the axis normal to their surface.

Moc uzyskana przez moduły solarne na jednostkę powierzchni w wybranym punkcie na powierzchni modułu określona jest Wzorem 3:The power obtained by solar modules per unit area at a selected point on the module surface is determined by Formula 3:

PL 249346 Β1PL 249346 Β1

Ρ(ί,ή,ή = Pomiot) + Powiat), (3) gdzie π(,^ηί Ο oznacza moc na jednostkę powierzchni, pochodzącą z nasłonecznienia bezpośredniego w funkcji czasu i kierunku ustawienia modułu, a oznacza moc na jednostkę powierzchni pochodzącą z nasłonecznienia rozproszonego w funkcji czasu i kierunku ustawienia modułu.Ρ(ί,ή,ή = Pomiot) + Powiat), (3) where π(, ^η ί Ο denotes the power per unit area from direct sunlight as a function of time and the direction of the module orientation, and denotes the power per unit area from diffuse sunlight as a function of time and the direction of the module orientation.

Moc wyjściową na jednostkę powierzchni modułu uzyskaną z nasłonecznienia bezpośredniego określa iloczyn wartości strumienia energii bezpośredniej 'DIRO padającej na moduł oraz sprawności modułu w funkcji kierunku padania światła ^(Wzór 4):The output power per unit of module surface obtained from direct sunlight is determined by the product of the direct energy flux 'DIRO falling on the module and the module efficiency as a function of the light incidence direction ^(Formula 4):

t) = /d/rW MO)· (4) gdzie zacienienie jest uwzględniane w sposób opisany powyżej, przez przyjęcie ^DIrU) = o w przedziale czasu [ti, t2], w którym bezpośredni strumień energii słonecznej nie dociera do punktu J*.t) = /d/rW MO)· (4) where shading is taken into account as described above, by taking ^DIrU) = o in the time interval [ti, t2] in which the direct solar energy flux does not reach point J*.

Z kolei, moc wyjściowa na jednostkę powierzchni modułu uzyskana z nasłonecznienia rozproszonego wyznaczona jest poprzez rozkład kątowy strumienia rozproszonej energii słonecznej Dla dowolnego punktu na powierzchni modułu solarnego wkład ^PIFriA^do wartości całkowitego strumienia rozproszonej energii słonecznej padającej na moduł wynosi (Wzór 5):In turn, the output power per unit area of the module obtained from diffuse insolation is determined by the angular distribution of the scattered solar energy flux. For any point on the surface of the solar module, the contribution ^PIFriA^ to the value of the total scattered solar energy flux incident on the module is (Formula 5):

dioiFF^t) = dii gdzie j_est wartością rozkładu kątowego rozproszonej energii słonecznej w wybranym punkcie Fdla kierunku określonego przez nieskończenie mały kąt bryłowy 5 dQ, z którego dociera rozproszone światło słoneczne.dioiFF^t) = dii where _is the value of the angular distribution of the scattered solar energy at a selected point F for the direction defined by the infinitesimal solid angle 5 dQ from which the scattered sunlight arrives.

Wkład ώΙΰίΓΕ&Ι) strumienia rozproszonej energii słonecznej padającej na moduł wyznacza wkład do mocy wyjściowej modułu Fp(n·. I) pochodzącej z nasłonecznienia rozproszonego poprzez uwzględnienie sprawności modułu w funkcji kąta padania (Wzór 6):The contribution ώIΙΰίΓE&I) of the scattered solar energy flux incident on the module determines the contribution to the module output power Fp(n · . I) coming from scattered insolation by taking into account the module efficiency as a function of the angle of incidence (Formula 6):

dPoiFFin. t) = Id/ff^ t) ’ MO) * (6) gdzie e(k(n, s(t)) _{oznacza S}p_rawność modułu dla kierunku padania światła w układzie odniesienia związanym z modułem solarnym, zależnym zarówno od kierunku ustawienia modułu FI jak też kierunku z którego dociera rozproszone światło słoneczne . Moc wyjściowa na jednostkę powierzchni modułu uzyskana z nasłonecznienia rozproszonego jest sumą wszystkich wkładów do mocy wyjściowej pochodzących z wszystkich kątów bryłowych dQ (kątów bryłowych dla wszystkich wybranych punktów), a przez to wszystkich kierunków (Wzór 7):dPoiFFin. t) = Id/ff^ t) ' MO) * (6) where e(k(n, s(t)) _denotes the module _efficiency for the direction of light incidence in the reference frame associated with the solar module, depending on both the module orientation direction FI and the direction from which the diffuse sunlight arrives. The output power per unit of module area obtained from diffuse insolation is the sum of all contributions to the output power coming from all solid angles dQ (solid angles for all selected points), and therefore all directions (Formula 7):

PlMFFffld) ⁼ J iDJFF&ty ’ MO) - dii (7) gdzie zacienienie jest uwzględniane w sposób opisany powyżej, przez przyjęcie, że 0 = q dla kierunków ^zawartych w kącie bryłowym wszystkich przeszkód widocznych z wybranego punktuPlMFFffld) ⁼ J iDJFF&ty ' MO) - dii (7) where shading is taken into account as described above, by assuming that 0 = q for directions ^ included in the solid angle of all obstacles visible from the selected point

PL 249346 Β1PL 249346 Β1

Moc wyjściowa modułów solarnych na jednostkę powierzchni w wybranym punkcie na powierzchni modułu określona Wzorem (8):Output power of solar modules per unit area at a selected point on the module surface determined by Formula (8):

P(t,n,P) PDiR.(n,t) + _{8) wyznacza ilość produkowanej energii na jednostkę czasu i jednostkę powierzchni modułu w dowolnej chwili (t) wdanym punkcie na powierzchni modułu.P(t,n,P) PDiR.(n,t) + _{8) determines the amount of energy produced per unit of time and unit of module surface at any time (t) at a given point on the module surface.

Całkowitą energię Δί) wyprodukowaną w dowolnie wybranym przedziale czasuTotal energy Δί) produced in any chosen time interval

[to, to + At] w danym punkcie na jednostkę powierzchni modułów ustawionych w kierunku W określa suma iloczynów chwilowej mocy wyjściowej i krótkich odcinków czasu dt pokrywających cały przedział [to, to + At] (Wzór 9):[to, to + At] at a given point per unit area of modules oriented in the W direction is determined by the sum of the products of the instantaneous output power and short time intervals dt covering the entire interval [to, to + At] (Formula 9):

D (r, n, Δί) = P(t, n) dt (9)D(r, n, Δί) = P(t, n) dt (9)

Z kolei, całkowity uzysk energii ^4”» ^ło^o + Δί)_{ζ moc}|_uł_u solarnego ustawionego w kierunku W w przedziale od to do to + At jest sumą iloczynów wyprodukowanej energii na jednostkę powierzchni modułu solarnego Δί) _oraz małych powierzchni dr pokrywających cały moduł i wyrażony jest wzorem (10):In turn, the total energy yield ^4”» ^ł o^o + Δί) _{ζ power} | _u _ł solar module oriented in the W direction in the range from to to + At is the sum of the products of the energy produced per unit area of the solar module Δί) _and small areas dr covering the entire module and is expressed by the formula (10):

+ ńt) = J - _h - ϋ(Λη,ί₀,Δί)^dr ^{v v} ' ^powierzchniamodułu v (10)+ ńt) = J - _h - ϋ(Λη,ί ₀ ,Δί)^dr ^vv ' ^module area v (10)

Uzyskana tym sposobem energia wyprodukowana przez moduł solarny w wybranym przedziale czasu jest zależna od kierunku ustawienia modułu . Aby znaleźć najlepszy kierunek ustawienia wykonuje się wyznaczenie wartości + Δί) _d|_a wszystkich kierunków ^_na sferze, ze skokiem nie większym niż jeden stopień kątowy. Sposób ten pozwala na określenie z dokładnością do jednego stopnia kątowego kierunku modułu którego uzysk energii w wybranym przedziale czasu jest największy.The energy produced by the solar module in a selected time period depends on the module orientation. To find the best orientation, the values + Δί) _d | _a of all directions ^ _on the sphere are determined, with a step of no more than one angular degree. This method allows for determining, with an accuracy of one angular degree, the module orientation that produces the greatest energy yield in a selected time period.

Kierunek ten jedocześnie wyznacza kąt nachylenia modułu względem powierzchni dachu gwarantujący największy uzysk energii w wybranym przedziale czasu z uwzględnieniem zacienienia przez bryłę budynku i jego otoczenie. Wynikiem tego etapu jest określenie najlepszego kierunku ustawienia modułu solarnego ⁿ^AKSf d|a wybranego przedziału czasu oraz ilości uzyskanej energii ^(^ηΜΛΛ·5^0' E(n, ię, tę 4- Δί) d|_{a modu}|_u ustawionego w tym kierunku i umieszczonego w wybranym miejscu na powierzchni dachu budynku.This direction simultaneously determines the module's inclination angle relative to the roof surface that guarantees the highest energy yield in the selected time period, taking into account shading by the building and its surroundings. The result of this stage is the determination of the best orientation of the solar module ⁿ ^AKSf for the selected time period and the amount of energy obtained ^( ^η ΜΛΛ 5^0' E(n, ię, tej 4- Δί) _for _{the module} oriented in this direction and placed in the selected location on the building's roof surface.

W powyższy sposób określana jest orientacja co najmniej jednego modułu solarnego w danym miejscu powierzchni dachu, która gwarantuje maksymalny uzysk energii.In the above manner, the orientation of at least one solar module in a given place on the roof surface is determined, which guarantees maximum energy yield.

Etap d)Stage d)

Planowanie ustawienia orientacji i rozmieszczenia modułów na powierzchni dachu (Fig. 4 i 5a/5b).Planning the orientation and arrangement of modules on the roof surface (Fig. 4 and 5a/5b).

Celem etapu d) jest zagwarantowanie maksymalnego uzysku energii przy minimalnej liczbie modułów.The aim of step d) is to guarantee maximum energy yield with a minimum number of modules.

W tym etapie wykonywany jest plan rozmieszczenia modułów solarnych na każdej powierzchni dachu, z uwzględnieniem uzyskanych wcześniej parametrów, w 30 szczególności kąta nachylenia względem dachu 8 oraz odstępów 9. Następnie każdemu modułowi przypisuje się nachylenie względem powierzchni dachu gwarantujące największy uzysk energii z uwzględnieniem wpływu pozostałych modułów solarnych.At this stage, a plan for the arrangement of solar modules on each roof surface is prepared, taking into account the previously obtained parameters, in particular the angle of inclination relative to the roof 8 and the spacing 9. Then, each module is assigned an inclination relative to the roof surface that guarantees the highest energy yield, taking into account the influence of the other solar modules.

Plan ten wykonywany jest zgodnie z następującą procedurą:This plan is carried out according to the following procedure:

Pi ΟίοAl/Cf frt, 4 Δί')Pi ΟίοAl/Cf frt, 4 Δί')

W pierwszej kolejności wyznaczana jest energia ^{v 7} uzyskana przez moduł solarny dla najlepszego możliwego kierunku ustawienia modułu dla wybranego przedziału czasu dla modułu umieszczonego w różnych punktach i na powierzchni dachu. Punkty i tworzą siatkę na powierzchni dachu o stałej (odstępie) nie większej niż 1 cm. Dzięki temu uzyskuje się mapę największegoFirst, the energy ^v7 obtained by the solar module is determined for the best possible orientation of the module for a selected time period for the module placed at different points and on the roof surface. The points and form a grid on the roof surface with a constant (spacing) of no more than 1 cm. This produces a map of the largest

PL 249346 Β1PL 249346 Β1

Λ ^Ł uzysku energii Ei oraz najlepszego kierunku 'MMKSna punktach / siatki. Najlepszy kierunek wspólny dla wszystkich modułów solarnych Vna powierzchni dachu wyznaczany jest przez średnią zbioru najlepszych kierunków na punktach siatki ważoną największym uzyskiem energii “maks punktach siatki zgodnie z Wzorem (11):Λ ^Ł of the energy yield Ei and the best direction 'MMKS on the grid points /. The best common direction for all solar modules V on the roof surface is determined by the average of the set of best directions on the grid points weighted by the highest energy yield 'max on the grid points according to Formula (11):

(11)(11)

Kierunek wspólny V określa zarówno kierunek jak i nachylenie wspólne dla wszystkich modułów solarnych umieszczanych na danej powierzchni dachu, który gwarantuje największy uzysk energii dla wybranego przedziału czasu. Ponieważ jest to kierunek wspólny dla wszystkich modułów solarnych, określa on kierunek całych rzędów modułów solarnych na powierzchni dachu.The common V direction defines both the direction and the slope common to all solar modules placed on a given roof surface, which guarantees the highest energy yield for a given time period. Because this direction is common to all solar modules, it defines the direction of entire rows of solar modules on the roof surface.

Odstęp pomiędzy rzędami 9 określany jest poprzez wyznaczenie wpływu zacienienia rzędu poprzedzającego na uzysk energii + ^0d|_a rzędu bieżącego. Wielkość + ^0 jest wyznaczana wielokrotnie dla rosnącego (ze skokiem nie większym niż 1 cm) odstępu pomiędzy rzędami. Wielkość to + Δί) _roś_nj_{e wraz ze zw}jęk_SZeni_em odstępu z uwagi na coraz mniejsze zacienienie pochodzące od poprzedzającego rzędu modułów solarnych.The spacing between rows 9 is determined by determining the effect of shading of the preceding row on the energy yield + ^0d| _of the current row. The value + ^0 is determined repeatedly for increasing (with a step of no more than 1 cm) the _{spacing between rows. This value + Δί) increases} _with _increasing _spacing _due to decreasing shading from the preceding row of solar modules.

Największy odstęp pomiędzy rzędami wyznaczany jest gdy redukcja energii poprzez zacienienie spadnie do około 1%. Tym sposobem uzyskiwany jest plan rozmieszczenia rzędów minimalnej liczby modułów solarnych gwarantujący największy uzysk energii na danej powierzchni dachu dla wybranego okresu z uwzględnieniem zacienienia.The largest spacing between rows is determined when the energy reduction due to shading drops to approximately 1%. This method creates a plan for arranging rows of the minimum number of solar modules that guarantees the highest energy yield on a given roof surface for a selected period, taking into account shading.

Podstawowym kryterium doboru rozmieszczenia modułów solarnych jest ilość energii możliwa do uzyskania z promieniowania słonecznego w danej lokalizacji na dachu w skali zadanego wcześniej okresu, przy uwzględnieniu wyżej wskazanych parametrów. Oprócz tego, dodatkowymi kryteriami mogą być między innymi rodzaj montowanych modułów solarnych (a więc ich rozmiary, sprawność energetyczna, itp.).The primary criterion for selecting solar module placement is the amount of energy that can be obtained from solar radiation at a given roof location over a pre-defined period, taking into account the parameters indicated above. Additional criteria may also include the type of solar modules installed (i.e., their size, energy efficiency, etc.).

Ponieważ planowanie orientacji i rozmieszczenia modułów przeprowadzane jest dla określanego przedziału czasowego, ten etap sposobu może również uwzględniać wybór początkowego i końcowego miesiąca danego sezonu (tzn. punktu początkowego to i punktu końcowego to + At wspomnianego przedziału czasu), aby zagwarantować maksymalny uzysk energii przy minimalnej liczbie modułów dla danego sezonu np. zimy lub lata. W tej postaci wykonania wynalazku, parametry montażu modułów solarnych (np. kierunek, kąt nachylenia itp.) mogą zmieniać się w zależności od pory roku tak jak pokazano to na fig. 5a i 5b - kąt nachylenia modułów solarnych w zimie 10 i kąt nachylenia modułów solarnych w lecie 11.Since the planning of the orientation and arrangement of the modules is performed for a defined time period, this step of the method may also take into account the selection of the starting and ending months of a given season (i.e., the starting point to and the ending point to + At of said time period) to guarantee the maximum energy yield with the minimum number of modules for a given season, e.g., winter or summer. In this embodiment of the invention, the installation parameters of the solar modules (e.g., direction, angle of inclination, etc.) may vary depending on the season as shown in Figs. 5a and 5b - the angle of inclination of the solar modules in winter 10 and the angle of inclination of the solar modules in summer 11.

Sposób według wynalazku może również obejmować opcjonalny etap e) wyznaczania obszarów na powierzchni dachu, na których możliwy jest montaż paneli fotowoltaicznych (Fig. 6). Etap ten przeprowadzany jest korzystnie między etapami c) i d) sposobu według wynalazku.The method according to the invention may also comprise an optional step e) of defining areas on the roof surface on which the photovoltaic panels can be mounted (Fig. 6). This step is preferably carried out between steps c) and d) of the method according to the invention.

W etapie tym, w celu wyznaczenia obszarów na powierzchni dachu, na których możliwy jest montaż paneli fotowoltaicznych najpierw przeprowadzana jest analiza całej powierzchni dachu, uwzględniająca przeszkody takie jak kominy, otwory okienne i podobne elementy. Do podobnych elementów należą przykładowo otwory wentylacyjne, anteny, maszty nadajnikowe oraz inne nadajniki, piorunochrony, obszary wyłączone z użytkowania takie jak lądowiska dla helikopterów oraz podobne elementy.In this step, to determine the areas on the roof surface suitable for photovoltaic panel installation, an analysis of the entire roof surface is first performed, taking into account obstructions such as chimneys, window openings, and similar elements. Such elements include, for example, ventilation openings, antennas, transmitter masts and other transmitters, lightning rods, areas excluded from use such as helipads, and similar elements.

Na podstawie przeprowadzonej analizy wyznacza się co najmniej jedną powierzchnię płaską 12 odpowiednią do montażu co najmniej jednego modułu słonecznego oraz obszary 13, w których instalacja modułów solarnych jest wykluczona lub utrudniona. Instalacja modułów może być utrudniona przykładowo ze względu na bliskość krawędzi dachu, występowanie łączeń różnych materiałów w obrębie dachu, trudny dostęp do potencjalnych miejsc montażowych itp.Based on the analysis, at least one flat surface 12 suitable for mounting at least one solar module is designated, as well as areas 13 where the installation of solar modules is excluded or difficult. Module installation may be difficult, for example, due to proximity to the roof edge, joints between different materials within the roof, difficult access to potential mounting locations, etc.

Powierzchnie 12 i obszary 13 mogą być wykorzystane w trakcie przeprowadzania etapu d) sposobu według wynalazku.The surfaces 12 and the areas 13 may be used in carrying out step d) of the method according to the invention.

Korzystnie, co najmniej jeden z etapów sposobu według wynalazku realizowany jest w sposób automatyczny. W innej korzystnej postaci wykonania wynalazku, wszystkie etapy sposobu realizowane są w sposób automatyczny.Preferably, at least one of the steps of the method according to the invention is performed automatically. In another preferred embodiment of the invention, all steps of the method are performed automatically.

Określenie „automatyczny” stosowane w niniejszym opisie w kontekście sposobu według wynalazku oznacza, iż proces jest wykonywany maszynowo i przebiega bez bezpośredniego udziału człowieka. Korzystnie, proces może być zautomatyzowany przykładowo dzięki zastosowaniu algorytmu komputerowego, który po wprowadzeniu danych wejściowych takich jak na przykład wspomniane w niniejszym opisie dane o położeniu budynku, dane satelitarne, dane dotyczące kątów bryłowych, informacje dotyczące elementów przesłaniających światło słoneczne, informacje opisujące powierzchnię dachu, itp., realizuje co najmniej jeden, korzystnie wszystkie etapy sposobu według wynalazku, dając jako rezultat plan rozmieszczenia modułów solarnych na dachu budynku, zawierający wszelkie parametry niezbędne do maksymalizacji uzysku energii przy wykorzystaniu minimalnej liczby modułów.The term "automatic" used herein in the context of the method according to the invention means that the process is performed by a machine and takes place without direct human intervention. Advantageously, the process can be automated, for example, by using a computer algorithm that, after entering input data such as, for example, the building location data mentioned herein, satellite data, solid angle data, information regarding elements obscuring sunlight, information describing the roof surface, etc., performs at least one, preferably all, steps of the method according to the invention, resulting in a plan for the arrangement of solar modules on the roof of the building, containing all the parameters necessary to maximize energy yield using a minimum number of modules.

Poszczególne czynności techniczne stanowiące etapy i pod-etapy sposobu według wynalazku mogą być również realizowane ręcznie lub automatycznie, korzystnie automatycznie.The individual technical operations constituting the steps and sub-steps of the method according to the invention may also be carried out manually or automatically, preferably automatically.

W jeszcze innej korzystnej postaci wynalazku, sposób może być implementowany przy wykorzystaniu programu komputerowego, który po uruchomieniu przez komputer (procesor) i wprowadzeniu koniecznych danych realizuje co najmniej jeden, korzystnie wszystkie etapy sposobu według wynalazku.In yet another advantageous embodiment of the invention, the method may be implemented using a computer program which, after being run by a computer (processor) and after entering the necessary data, performs at least one, preferably all, steps of the method according to the invention.

Określenie „przedział czasu” stosowane w niniejszym opisie oznacza przedział w jakim żądany jest maksymalny uzysk energii przez moduły solarne wynikający ze sposobu według wynalazku. Przedział czasu może mieć dowolną szerokość liczoną w dniach i może wynosić od około 1 miesiąca do około 12 miesięcy (1 roku), korzystnie od około 6 miesięcy do około 12 miesięcy, jeszcze korzystniej od około 9 miesięcy do około 12 miesięcy, a najkorzystniej wynosi około 12 miesięcy.The term "time interval" as used herein refers to the interval over which the maximum energy yield of the solar modules resulting from the method of the invention is desired. The time interval may be any width in days and may be from about 1 month to about 12 months (1 year), preferably from about 6 months to about 12 months, more preferably from about 9 months to about 12 months, and most preferably is about 12 months.

Punkty F leżące na powierzchni dachu budynku i w jego otoczeniu mogą być dobierane arbitralnie w zależności od budowy dachu budynku i obiektów znajdujących się na dachu budynku oraz w jego sąsiedztwie (np. innych budynków, drzew, słupów energetycznych i telekomunikacyjnych itp.). Korzystnie, punkty te wybierane są odstępem mieszczącym się w zakresie od około 0,1 do około 100 cm, szczególnie korzystnie od około 1 do około 50 cm, jeszcze korzystniej od około 1 do około 25 cm, na przykład od 5 do 10 cm.The points F lying on the surface of the roof of the building and in its vicinity may be selected arbitrarily depending on the structure of the roof of the building and the objects located on the roof of the building and in its vicinity (e.g. other buildings, trees, power and telecommunications poles, etc.). Preferably, these points are selected with a spacing in the range of from about 0.1 to about 100 cm, particularly preferably from about 1 to about 50 cm, even more preferably from about 1 to about 25 cm, for example from 5 to 10 cm.

Stosowane w niniejszym opisie określenie „otoczenie budynku” oznacza obszar na powierzchni budynku i bezpośrednio wokół budynku oraz bezpośrednio nad budynkiem, w którym światło słoneczne może zostać wykorzystane do produkcji energii z modułów solarnych. Korzystnie otoczenie budynku oznacza obszar leżący w promieniu około 10 m, korzystniej około 50 m, jeszcze korzystniej około 100 m, na przykład około 20 m.As used herein, the term "building surroundings" means the area on the surface of the building and immediately around and directly above the building in which sunlight can be used to produce energy from solar modules. Preferably, the building surroundings means an area lying within a radius of about 10 m, more preferably about 50 m, even more preferably about 100 m, for example about 20 m.

Stosowane w niniejszym opisie określenie „sąsiedztwo budynku” oznacza obszar leżący wokół budynku, w którym znajdują się obiekty, które wpływają lub mogą wpływać na strumienie energii promieniowania słonecznego, np. inne budynki, drzewa, słupy energetyczne i telekomunikacyjne itp. Korzystnie sąsiedztwo budynku oznacza obszar leżący w promieniu około 20 m, korzystniej około 50 m, jeszcze korzystniej około 100 m, na przykład około 40 m.As used herein, the term "neighborhood of a building" means the area around the building in which there are objects that influence or may influence solar energy fluxes, e.g. other buildings, trees, electricity and telecommunications poles, etc. Preferably, the neighborhood of a building means the area within a radius of about 20 m, more preferably about 50 m, even more preferably about 100 m, for example about 40 m.

W drugim aspekcie, wynalazek dotyczy sposobu montażu modułów solarnych wykorzystującego wspomniany powyżej sposób maksymalizacji uzysku energii z instalacji fotowoltaicznej.In a second aspect, the invention relates to a method of assembling solar modules using the above-mentioned method of maximizing energy yield from a photovoltaic installation.

Sposób według drugiego aspektu przedmiotowego wynalazku poza sposobem maksymalizacji obejmował będzie czynności związane z zamontowaniem modułów solarnych na dachu budynku.The method according to the second aspect of the present invention, in addition to the maximization method, will include activities related to mounting solar modules on the roof of the building.

W przypadku postaci wykonania, w której sposób maksymalizacji uzysku energii z instalacji fotowoltaicznej obejmuje wyznaczenie różnych parametrów montażu modułów w zależności od pory roku, sposób montażu będzie uwzględniać zastosowanie środków montażowych, które będą umożliwiać modyfikację parametrów montażu poszczególnych modułów solarnych (kąt nachylenia, kierunek, itp.). W ten sposób, możliwa będzie zmiana tych parametrów gdy zmieni się pora roku.In the case of an embodiment in which the method for maximizing energy yield from a photovoltaic installation includes determining different module installation parameters depending on the season, the installation method will include the use of mounting means that will enable modification of the installation parameters of individual solar modules (tilt angle, direction, etc.). In this way, it will be possible to change these parameters as the season changes.

Zmiana tych parametrów może być realizowana ręcznie lub automatycznie. W tym ostatnim przypadku zmiana ta może być korzystnie realizowana w praktyce za pomocą programowalnej jednostki sterującej, do której wprowadza się niezbędne dane oraz zestawu siłowników lub innych elementów umożliwiających przeprowadzenie zaprogramowanego działania.Changing these parameters can be done manually or automatically. In the latter case, this change can be advantageously implemented in practice using a programmable control unit, which is fed the necessary data, and a set of actuators or other components enabling the programmed action to be performed.

Zgodnie z wynalazkiem, stosowany powyżej i poniżej wyraz „około” należy rozumieć jako odchylenie +/- 10% od podanej wartości, odzwierciedlającą niedokładności pomiarowe które mogą się pojawić się w trakcie prowadzenia sposobu według wynalazku.In accordance with the invention, the word "about" used above and below should be understood as a deviation of +/- 10% from the stated value, reflecting measurement inaccuracies that may occur during the performance of the method according to the invention.

PL 249346 Β1PL 249346 Β1

Przykłady wykonaniaExamples of execution

Przykład 1Example 1

Sposób według wynalazku został przetestowany na przykładzie budynku na którego dachu wyznaczono 12 płaskich powierzchni dachowych (12i-12i2). Na dachu znajdował się dodatkowo skomplikowany układ kominów i otworów okiennych. (Fig. 7).The method according to the invention was tested on a building with 12 flat roof surfaces (12i-12i2) on its roof. The roof also had a complex arrangement of chimneys and window openings (Fig. 7).

Dane o położeniu budynku i jego geometrii uzyskano na podstawie danych obrazowania strumienia (Google Maps) oraz uzupełniającego pomiaru fizycznego na miejscu bezpośredniej w funkcji czasu ^DIλ(0 jak też rozkład kątowy nasłonecznienia rozp. Wartość strumienia energii roszonego w funkcji czasu określono dla lokalizacji geograficznej budynku na podstawie danych pomiarowych NASA (https://power.larc.nasa.qov/data-accessviewer/) dotyczących nasłonecznienia 30 bezpośredniego i nasłonecznienia rozproszonego na powierzchni. Dla każdej ze wspomnianych powierzchni dachowych/wyznaczono najlepszy kierunek ustawienia modułów solarnych i dla przedziału czasowego wynoszącego rok to = 1, At = 365 dni), wspólny dla wszystkich modułów na danej płaskiej powierzchni dachowej. Do wyznaczenia kąta nachylenia rzędów modułów solarnych względem powierzchni dachu J Vi oraz odstępów między tymi rzędami, wykorzystano kierunki ⁷ oraz azymut i kąt nachylenia każdej powierzchni dachowej J. Dane zebrano w Tabeli 1.Data on the building location and its geometry were obtained based on flux imaging data (Google Maps) and complementary physical measurements on-site of direct solar radiation as a function of time ^DIλ(0 as well as the angular distribution of solar radiation. The value of the reed energy flux as a function of time was determined for the building's geographical location based on NASA measurement data (https://power.larc.nasa.qov/data-accessviewer/) regarding direct solar radiation and diffuse solar radiation on the surface. For each of the mentioned roof surfaces, the best orientation of the solar modules was determined and for the time interval of one year to = 1, At = 365 days), common to all modules on a given flat roof surface. To determine the angle of inclination of the solar module rows relative to the roof surface J Vi and the spacing between these rows, the directions ⁷ and the azimuth and inclination angle of each roof surface J were used. The data are summarized in Table 1.

Tabela 1 - Zestawienie wyznaczonych katów nachylenia i odstępów rzędów modułów solarnych dla całego dachu budynkuTable 1 - Summary of the determined angles of inclination and spacing of solar module rows for the entire building roof

Płaska powierzchnia dachowaFlat roof surface Odstęp [m] Space [m] Kąt nachylenia względem J powierzchni dachowej j [stopnie] Angle of inclination relative to roof surface j [degrees] 12i 12i 1,5 1.5 30 30 12₂ 12 ₂ 1,64 1.64 40 40 12₃ 12 ₃ 1,47 1.47 28 28 12₄ 12 ₄ 1,37 1.37 22 ' 22 ' 12₅ 12 ₅ 1,64 1.64 40 ‘ 40 ' 12$ $12 1,5 1.5 30 30 12? 12? 1,5 1.5 30 30 12_e 12 _e 1,11 1.11 7 i 7 and 12* 12* 1,49 1.49 30 30 12io 12io 1,43 1.43 25 25 12| i 12| and 12|2 12|2 1,5 1.5 ³⁰ i ³⁰ and

Określone rozmieszczenie rzędów modułów solarnych na wszystkich powierzchniach dachowych (12i-12i2) przedstawiono na Fig. 8.The specific arrangement of solar module rows on all roof surfaces (12i-12i2) is shown in Fig. 8.

Dla każdego modułu mj na powierzchniach dachowych J wyznaczono uzysk energiiFor each module mj on roof surfaces J the energy yield was determined

PL 249346 Β1PL 249346 Β1

Z wykorzystaniem Wzoru 12 (12) gdzieUsing Formula 12 (12) where

Nj oznacza liczbę modułów na powierzchni dachowej J, obliczono średnią energię Ej -F Δΐ), _UZy_S|ęj_waną przez jeden moduł na powierzchni dachu J.Nj is the number of modules on the roof surface J, the average energy Ej -F Δΐ), _UZ y _S | _ęj produced by one module on the roof surface J was calculated.

Średni uzysk energii na jeden moduł solarny dla najlepszego kierunku rozmieszczenia 7 modułów solarnych porównano ze średnim uzyskiem energii na jeden moduł przyznanym ze stanu techniki kierunku ⁿ7 modułów umieszczonych w płaszczyźnie dachu. Dane zebrano w Tabeli 2.The average energy yield per solar module for the best orientation of 7 solar modules was compared with the average energy yield per module obtained from the state-of-the-art orientation ^of 7 modules placed in the roof plane. The data are summarized in Table 2.

Tabela 2 - Porównanie średniego uzysku energii na jeden moduł na powierzchniach dachu dla standardowego kierunku rozmieszczenia modułów solarnych w powierzchni dachu (stan techniki) oraz dla najlepszego kierunku rozmieszczenia rzędów modułów solarnych według wynalazkuTable 2 - Comparison of the average energy yield per module on roof surfaces for the standard direction of arrangement of solar modules on the roof surface (state of the art) and for the best direction of arrangement of rows of solar modules according to the invention

Płaska powierzchnia dachowaFlat roof surface Średnia energia na jeden moduł solamy dla modułów solarnych rozmieszczonych w płaszczyźnie dachu (stan techniki} jkWhJrokjAverage energy per solar module for solar modules arranged on the roof plane (state of the art) jkWhJyear Średnia energia na jeden moduł solarny dla najlepszego kierunku rozmieszczenia modułów zgodnie z wynalazkiem [kWh/rokjAverage energy per solar module for the best module orientation according to the invention [kWh/year] Wzrost uzysku energii dla najlepszego kierunku rozmieszczenia modułów solarnych [%JIncrease in energy yield for the best solar module orientation [%J 12i 12i 252,7 252.7 267.8 267.8 5,9 5.9 12, 12, 172,1 172.1 238,2 238.2 38.4 38.4 12g 12g 216,5 216.5 234,8 234.8 8,5 8.5 12₄ 12 ₄ 230,4 230.4 255,5 255.5 10,9 10.9 12s 12s 168,9 168.9 233.1 233.1 38,0 38.0 12® 12® 252.6 252.6 267,0 267.0 6,5 6.5 12? 12? 255,6 255.6 272,3 272.3 6,7 6.7 12, 12, 273,3 273.3 273,0 273.0 0,0 0.0 12s 12s 223.9 223.9 228,3 228.3 2,0 2.0 12ic 12ic 234,5 234.5 238,6 238.6 1,7 1.7 1211 1211 259,7 259.7 259,3 259.3 0,0 0.0 12« 12« 256,9 256.9 272,4 272.4 6,0 6.0

Przykład 2Example 2

Sposób maksymalizacji uzysku energii z instalacji modułów solarnych według wynalazku wykorzystano w realizacji instalacji fotowoltaicznej na budynku jednorodzinnym (Fig. 8).The method of maximizing energy yield from the installation of solar modules according to the invention was used in the implementation of a photovoltaic installation on a single-family building (Fig. 8).

Instalacja została zrealizowana na jednej powierzchni dachu którego azymut wynosi 70 stopni a kąt nachylenia do płaszczyzny poziomej wynosi 20 stopni. Za pomocą sposobu maksymalizacji uzysku energii według wynalazku wyznaczono najlepszy kierunek V, wspólny dla wszystkich modułów solarnych na powierzchni dachowej:The installation was implemented on a single roof surface with an azimuth of 70 degrees and an inclination angle of 20 degrees to the horizontal plane. Using the method of maximizing energy yield, the best V direction was determined, common to all solar modules on the roof surface:

v = azymut 130 stopni, kąt nachylenia do płaszczyzny poziomej = 61 stopni.v = azimuth 130 degrees, angle of inclination to the horizontal plane = 61 degrees.

Dwa rzędy po 6 modułów solarnych zainstalowano na powierzchni dachu z nachyleniem odpowiadającym wyznaczonemu najlepszemu kierunkowi V (14). Cztery moduły zainstalowano zgodnie ze sposobem ze stanu techniki w płaszczyźnie dachu dla weryfikacji skuteczności sposobu maksymalizacji uzysku energii według wynalazku (15).Two rows of 6 solar modules were installed on the roof surface with an inclination corresponding to the determined best V direction (14). Four modules were installed in accordance with the prior art method in the roof plane to verify the effectiveness of the method of maximizing energy yield according to the invention (15).

PL 249346 Β1PL 249346 Β1

Uzysk energii monitorowano przez trzy sezony za pomocą inwertera śledzącego uzysk energii dla każdego modułu solarnego, a średnią energię uzyskiwaną na jeden moduł solarny położony zgodnie i» ze sposobem ze stanu techniki w płaszczyźnie dachu porównywano ze średnią energią^ ' uzyskiwaną przez jeden moduł solarny ustawiony w najlepszym kierunku wyznaczonym zgodnie ze sposobem maksymalizacji uzysku energii według wynalazku.The energy yield was monitored over three seasons using an inverter tracking the energy yield of each solar module, and the average energy yield per solar module positioned in accordance with the prior art method in the roof plane was compared with the average energy yield of one solar module positioned in the best direction determined in accordance with the method for maximizing energy yield according to the invention.

Wyniki tych pomiarów, przedstawione na Fig. 9, potwierdziły skuteczność sposobu maksymalizacji uzysku energii według wynalazku. Energia wyprodukowana przez moduły (14) ustawione zgodnie z tym sposobem była średnio o 19,3% wyższa niż energia wyprodukowana przez moduły (15) umieszczone w płaszczyźnie dachu zgodnie ze sposobem ze stanu techniki.The results of these measurements, shown in Fig. 9, confirmed the effectiveness of the method for maximizing energy yield according to the invention. The energy produced by the modules (14) arranged according to this method was on average 19.3% higher than the energy produced by the modules (15) arranged in the roof plane according to the prior art method.

Claims

Patent claims

1. A method of maximizing energy yield from a photovoltaic installation with a minimum number of solar modules, characterized in that:

a) the processor determines the influence of the building geometry on the spatial distribution of direct solar radiation,

b) using the processor, the influence of the building geometry on the spatial distribution of diffuse solar radiation reduced by the spatial distribution of shading is determined by b1) determining the reduction of the solid angle (6) of the sky hemisphere at selected points (5) on the building roof and in the building's surroundings, b2) determining the influence of the building geometry on the reduction of the amount of energy obtained from diffuse radiation,

c) the best direction is determined using a processor, where the best direction is the direction of the solar module for which the energy yield in the selected time period is the highest,

d) the processor determines the orientation and arrangement of solar modules on the roof surface.

2. The method according to claim 1, characterized in that step a) of the method comprises:

a1) determining the trajectory (2) of the Sun’s movement in the sky for each day for a set time period, a2) obtaining data on the absorption and dispersion of solar energy in the geographical location of the installation, a3) determining the directions and energy fluxes of direct solar radiation reaching selected points (3) on the roof of the building and in the building’s surroundings based on combining the obtained data on the Sun’s trajectory with data on the absorption and dispersion of solar energy, a4) performing a geometric analysis of the influence of the building’s shape on direct sunlight and the resulting shading.

3. The method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that step c) of the method comprises:

c1) conducting a collective analysis of the data collected in stages a) and b) for a selected time period, c2) determining the total course of insolation and its spatial distribution in a given time period, c3) determining the influence of the geometry of the building and its vicinity on the distribution and course of insolation.

4. The method according to claim 3, characterized in that the time interval is 12 months.

5. The method according to claim 3 or 4, characterized in that determining the orientation of at least one solar module in step c4) comprises determining its inclination (8) relative to the roof of the building and the azimuth.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that step d) of the method comprises:

dl) planning the arrangement of solar modules on the entire roof surface, taking into account the angle of inclination (8) of each solar module in relation to the roof and the spacing (9) between solar modules, d2) assigning to each solar module an inclination in relation to the roof surface that guarantees the highest energy yield, taking into account the influence of the other solar modules.

7. The method according to claim 6, characterized in that step d) of the method further comprises d3) selecting the starting and ending points of the time interval.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises, after step b), an additional step

e) designating areas on the roof surface where solar modules can be installed.

9. The method according to claim 7, characterized in that step e) of the method comprises:

e1) carrying out an analysis of the entire roof surface, taking into account obstacles such as chimneys, window openings and similar elements, and e2) determining at least one flat surface (12) suitable for the installation of at least one solar module and areas (13) in which the installation of solar modules is excluded or difficult.

10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one step or substep of the method is performed automatically.

11. The method according to claim 10, characterized in that each step and substep of the method is performed automatically.