PL249346B1

PL249346B1 - Sposób maksymalizacji uzysku energii z instalacji fotowoltaicznej

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: WO2022043880A2; WO2022043880A3; PL435069A1

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.

Description

Opis wynalazku

Dziedzina techniki

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.

Stan techniki

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.

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.

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.

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:

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.

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.

Nie uwzględnia się w nich również lokalnych warunków pogodowych, wpływu zacienienia przez elementy budynku oraz wpływu zacienienia przez sąsiedztwo budynku.

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.

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.

Nieoczekiwanie okazało się, że problemy znane w stanie techniki można rozwiązać dzięki sposobowi według przedmiotowego wynalazku.

Zalety wynalazku

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.

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.

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.

Istota wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób maksymalizacji uzysku energii z instalacji fotowoltaicznej przy minimalnej liczbie modułów solarnych charakteryzujący się tym, że

a) za pomocą procesora wyznacza się wpływ geometrii budynku na rozkład przestrzenny bezpośredniego promieniowania słonecznego,

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,

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,

d) za pomocą procesora określa się orientację i rozmieszczenie modułów solarnych na powierzchni dachu.

Korzystnie etap a) sposobu obejmuje:

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.

Korzystnie etap c) sposobu obejmuje:

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.

Korzystnie, przedział czasowy wynosi 12 miesięcy.

Korzystnie, określenie kierunku ustawienia co najmniej jednego modułu solarnego w etapie c4) obejmuje określanie jego nachylenia względem dachu budynku oraz azymutu.

Korzystnie, etap d) sposobu obejmuje:

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.

Korzystnie, etap d) sposobu obejmuje dodatkowo d3) wybór początkowego i końcowego punktu przedziału czasowego.

Korzystnie, obejmuje po etapie b) dodatkowy etap e) wyznaczania obszarów na powierzchni dachu, na których możliwy jest montaż modułów solarnych.

Korzystnie, etap e) sposobu obejmuje:

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.

Korzystnie, co najmniej jeden etap lub podetap sposobu realizowany jest automatycznie. Korzystnie, każdy etap i podetap sposobu realizowany jest automatycznie.

Opis figur

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania przedstawiony jest na rysunku na którym:

Figura 1 przedstawia rezultaty znanego ze stanu techniki sposobu rozmieszczenia modułów solarnych w płaszczyźnie dachu,

Figura 2 przedstawia etap wyznaczania wpływu geometrii budynku na rozkład przestrzenny promieniowania bezpośredniego,

Figura 3 ilustruje etap wyznaczania wpływu geometrii budynku na rozkład przestrzenny promieniowania rozproszonego,

Figura 4 ilustruje etap planowania ustawienia orientacji i rozmieszczenia modułów na powierzchni dachu,

Figury 5A i 5B przedstawiają orientację i rozmieszczenie modułów solarnych w zależności od sezonu (pory roku),

Figura 6 ilustruje etap wyznaczania regionów na powierzchni dachu, na których możliwy jest montaż modułów solarnych,

Figura 7 ilustruje dach budynku, na którym testowano sposób według wynalazku zgodnie z Przykładem 1,

Figura 8 ilustruje dach budynku z Figury 7 z nałożonym planem rozmieszczenia modułów solarnych uzyskanym zgodnie ze sposobem według wynalazku,

Figura 9 ilustruje dach budynku, na którym testowano sposób według wynalazku zgodnie z Przykładem 2,

Figura 10 przedstawia moduły solarne z Figury 9 z informacjami dotyczącymi sumarycznego uzysku energii dla poszczególnych modułów.

Szczegółowy opis wynalazku

Moduł solarny, określany w niniejszym dokumencie również jako „moduł”, „panel fotowoltaiczny” i „panel” oznacza ogólnie urządzenie umożliwiające zamianę energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną.

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.

‘Rozmieszczenie modułów’ oznacza plan przestrzennego ułożenia modułów na powierzchni dachu, obejmujący pozycje i odstępy między modułami.

W pierwszym aspekcie przedmiotowy wynalazek dotyczy sposobu maksymalizacji uzysku energii z instalacji fotowoltaicznej.

PL 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:

Etap a)

Wyznaczanie wpływu geometrii budynku na rozkład przestrzenny bezpośredniego promieniowania słonecznego (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.

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):

(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.

Dane dotyczące lokalizacji geograficznej mogą być wprowadzane ręcznie albo pozyskane z systemu lokalizacji takiego jak GPS lub usług typu 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 .

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 punktu

Etap b

Wyznaczanie wpływu geometrii budynku na rozkład przestrzenny rozproszonego promieniowania słonecznego (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.

PL 249346 Β1

W celu określenia wpływu geometrii budynku na redukcję ilości energii uzyskiwanej z promieniowania rozproszonego wyznacza się redukcję kąta bryłowego półsfery nieba.

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).

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.

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.

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 punktów

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.

Pomiary kątów bryłowych prowadzone są przy wykorzystaniu dowolnej metody znanej znawcy dziedziny wynalazku lub znanej w stanie techniki.

Etap c)

Określanie najlepszego kierunku i rozmieszczenia modułów na powierzchni dachu.

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.

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):

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.

Moc uzyskana przez moduły solarne na jednostkę powierzchni w wybranym punkcie na powierzchni modułu określona jest Wzorem 3:

PL 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.

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):

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*.

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):

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.

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):

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):

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 punktu

PL 249346 Β1

Moc wyjściowa modułów solarnych na jednostkę powierzchni w wybranym punkcie na powierzchni modułu określona Wzorem (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.

Całkowitą energię Δί) wyprodukowaną w dowolnie wybranym przedziale czasu

[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):

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):

+ ńt) = J - _h - ϋ(Λη,ί₀,Δί)^dr ^{v v} ' ^powierzchniamodułu 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.

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.

W powyższy sposób określana jest orientacja co najmniej jednego modułu solarnego w danym miejscu powierzchni dachu, która gwarantuje maksymalny uzysk energii.

Etap d)

Planowanie ustawienia orientacji i rozmieszczenia modułów na powierzchni dachu (Fig. 4 i 5a/5b).

Celem etapu d) jest zagwarantowanie maksymalnego uzysku energii przy minimalnej liczbie modułów.

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.

Plan ten wykonywany jest zgodnie z następującą procedurą:

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 największego

PL 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):

(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.

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.

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.

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.).

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.

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.

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.

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.

Powierzchnie 12 i obszary 13 mogą być wykorzystane w trakcie przeprowadzania etapu d) sposobu według wynalazku.

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.

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.

Poszczególne czynności techniczne stanowiące etapy i pod-etapy sposobu według wynalazku mogą być również realizowane ręcznie lub automatycznie, korzystnie automatycznie.

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.

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.

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.

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.

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.

W drugim aspekcie, wynalazek dotyczy sposobu montażu modułów solarnych wykorzystującego wspomniany powyżej sposób maksymalizacji uzysku energii z instalacji fotowoltaicznej.

Sposób według drugiego aspektu przedmiotowego wynalazku poza sposobem maksymalizacji obejmował będzie czynności związane z zamontowaniem modułów solarnych na dachu budynku.

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.

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.

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.

PL 249346 Β1

Przykłady wykonania

Przykład 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).

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.

Tabela 1 - Zestawienie wyznaczonych katów nachylenia i odstępów rzędów modułów solarnych dla całego dachu budynku

Płaska powierzchnia dachowa	Odstęp [m]	Kąt nachylenia względem J powierzchni dachowej j [stopnie]
12i	1,5	30
12₂	1,64	40
12₃	1,47	28
12₄	1,37	22 '
12₅	1,64	40 ‘
12$	1,5	30
12?	1,5	30
12_e	1,11	7 i
12*	1,49	30
12io	1,43	25
12\| i
12\|2	1,5	³⁰ i

Określone rozmieszczenie rzędów modułów solarnych na wszystkich powierzchniach dachowych (12i-12i2) przedstawiono na Fig. 8.

Dla każdego modułu mj na powierzchniach dachowych J wyznaczono uzysk energii

PL 249346 Β1

Z wykorzystaniem Wzoru 12 (12) gdzie

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.

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.

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 wynalazku

Płaska powierzchnia dachowa	Średnia energia na jeden moduł solamy dla modułów solarnych rozmieszczonych w płaszczyźnie dachu (stan techniki} jkWhJrokj	Średnia energia na jeden moduł solarny dla najlepszego kierunku rozmieszczenia modułów zgodnie z wynalazkiem [kWh/rokj	Wzrost uzysku energii dla najlepszego kierunku rozmieszczenia modułów solarnych [%J
12i	252,7	267.8	5,9
12,	172,1	238,2	38.4
12g	216,5	234,8	8,5
12₄	230,4	255,5	10,9
12s	168,9	233.1	38,0
12®	252.6	267,0	6,5
12?	255,6	272,3	6,7
12,	273,3	273,0	0,0
12s	223.9	228,3	2,0
12ic	234,5	238,6	1,7
1211	259,7	259,3	0,0
12«	256,9	272,4	6,0

Przykład 2

Sposób maksymalizacji uzysku energii z instalacji modułów solarnych według wynalazku wykorzystano w realizacji instalacji fotowoltaicznej na budynku jednorodzinnym (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:

v = azymut 130 stopni, kąt nachylenia do płaszczyzny poziomej = 61 stopni.

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).

PL 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.

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.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób maksymalizacji uzysku energii z instalacji fotowoltaicznej przy minimalnej liczbie modułów solarnych znamienny tym, że:

a) za pomocą procesora wyznacza się wpływ geometrii budynku na rozkład przestrzenny bezpośredniego promieniowania słonecznego,

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 (6) półsfery nieba w wybranych punktach (5) na dachu budynku i w otoczeniu budynku, b2) określanie wpływu geometrii budynku na redukcję ilości energii uzyskiwanej z promieniowania rozproszonego,

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,

d) za pomocą procesora określa się orientację i rozmieszczenie modułów solarnych na powierzchni dachu.
2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że etap a) sposobu obejmuje:

a1) wyznaczanie trajektorii (2) 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 (3) 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.
3. Sposób według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do 2, znamienny tym, że etap c) sposobu obejmuje:

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.
4. Sposób według zastrzeżenia 3, znamienny tym, że przedział czasowy wynosi 12 miesięcy.
5. Sposób według zastrzeżenia 3 albo 4, znamienny tym, że określenie kierunku ustawienia co najmniej jednego modułu solarnego w etapie c4) obejmuje określanie jego nachylenia (8) względem dachu budynku oraz azymutu.
6. Sposób według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do 5, znamienny tym, że etap d) sposobu obejmuje:

dl) rozplanowanie rozmieszczenia modułów solarnych na całej powierzchni dachu uwzględniającego kąt nachylenia (8) każdego modułu solarnego względem dachu oraz odstępy (9) między modułami solarnymi, d2) przyporządkowanie każdemu modułowi solarnemu nachylenia względem powierzchni dachu gwarantującego największy uzysk energii z uwzględnieniem wpływu pozostałych modułów solarnych.
7. Sposób według zastrzeżenia 6, znamienny tym, że etap d) sposobu obejmuje dodatkowo d3) wybór początkowego i końcowego punktu przedziału czasowego.
8. Sposób według któregokolwiek z zastrzeżeń od 1 do 7, znamienny tym, że obejmuje po etapie b) dodatkowy etap

e) wyznaczania obszarów na powierzchni dachu, na których możliwy jest montaż modułów solarnych.
9. Sposób według zastrzeżenia 7, znamienny tym, że etap e) sposobu obejmuje:

e1) przeprowadzenie analizy całej powierzchni dachu, uwzględniającej przeszkody takie jak kominy, otwory okienne i podobne elementy, oraz e2) wyznaczanie co najmniej jednej powierzchni (12) płaskiej odpowiedniej do montażu co najmniej jednego modułu solarnego oraz obszarów (13), w których instalacja modułów solarnych jest wykluczona lub utrudniona.
10. Sposób według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń znamienny tym, że co najmniej jeden etap lub podetap sposobu realizowany jest automatycznie.
11. Sposób według zastrzeżenia 10, znamienny tym, że każdy etap i podetap sposobu realizowany jest automatycznie.