追跡と最適に固定されたフラットソーラーコレクターの効率比較

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12712 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

晴天モデルを使用して、固定平板型太陽光集熱器の最適な向きを調査します。 コレクタの表面に当たる照射の地面反射成分は、直接ビームや空の拡散成分と比較した場合、その大きさが比較的小さいため無視されます。 解析計算によると、コレクターの緯度に関係なく、最も効果的な方位角 \(\gamma ^*\) は 0 であり、これは一般に南北方向に対応します。 ただし、最適な傾斜角 \(\beta ^*\) は、曜日 (DoY) とコレクターの地域の緯度の両方に依存します。 中高度気候帯に典型的な緯度の場合、最適な傾斜角と収集器が各 DoY 中に収集できる最大エネルギーを計算できます。 この最適な向きに関連する、直接ビームと空の拡散エネルギーの合計である毎日の最大受信エネルギーを、平板が太陽を追跡するときの対応する値と比較します。 太陽の追跡による総エネルギーの相対的な増加は DoY に大きく依存し、最小値は初冬の約 \(17\%\) であり、長い期間にわたる最大値は \(40\%\) です。

太陽熱収集器、パネル、集光器などのデバイスは、太陽の放射からエネルギーを収集するように設計されています1、2、3、4、5、6、7。 パフォーマンスと効率を最大化することが重要であり、これを達成するための最も効果的な方法は、垂直方向放射照度 (DNI) として知られる太陽のビームに沿ってコレクターを配向することです。 ただし、空における太陽の見かけの位置は 1 日を通して変化するため、これには追跡システムが必要です。 追跡システムは効率を大幅に向上させることができますが、高価であり、動作に追加のエネルギーが必要になる可能性もあります8。 さらに、その運用と保守にも費用がかかります。 これらのコストを削減するには、太陽熱集熱器を固定ではあるが最適な向きで配置し、必要に応じてこの向きを定期的に調整することが望ましい。 ただし、最適な向きを見つけるのは簡単な作業ではなく、気候条件や気象条件などのいくつかの外部要因に依存します9,10。 通常、ソーラーコレクタの最適な向きは、毎日、毎月、四半期、または毎年のベースで経験的に決定されます。 ソーラーコレクターが受け取る日射量に影響を与える可能性のある要因がいくつかあります。 受ける放射線量はソーラーコレクターの幾何学形状や形状に依存する可能性があります。 さらに、場所の緯度、曜日、気候にも依存します。 その結果、最適な向きを決定することは、複雑で場所に依存するプロセスになる可能性があります。 平板集熱器や PV パネルなど、多くの太陽光集熱器は平らな表面を持っていますが、ソーラー ディッシュや放物線状のトラフなど、凹面の曲率を持っているものもあります。 ただし、湾曲したコレクタの場合、太陽にさらされる有効表面積 (開口部) は平坦になります。 平面開口コレクターの方向は、2 つの傾斜角 \(\beta\) と方位角 \(\gamma\) によって指定できます。 近年、いくつかの研究グループが、世界中のさまざまな場所における太陽光集熱器の向きの最適化を研究しています。 遺伝的アルゴリズムやシミュレーテッド アニーリングなどのさまざまな技術が使用されています11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、 30、31、32、33、34、35、36、37、38。 詳細なレビューについては、39 を参照してください。 平面コレクターの最適な向きの問題を扱うほとんどの記事は、局所的かつ非普遍的な地理的スケールでそれを行っています。 経験則として、北 (南) 半球では最適な方位は南 (北) 向きであり、最適な年傾斜角は現地の緯度と同じであるべきであることが示唆されています。 ただし、他の論文では最適な傾斜角のより広い範囲を提案しています11、15、16。 残念なことに、これらの調査の多くは、包括的で厳密な数学的アプローチの欠如に悩まされています。 この論文では、厳密な数学的枠組みを使用して、向きが固定された太陽熱集熱器を最適化する問題に取り組むことを目的としています。 直観的には、太陽正午には太陽光がほぼ真上から輝くため、コレクターの最適な向きは太陽の光の方向に対して垂直であると思われるかもしれません。 しかし、これからわか​​るように、早朝と午後の放射線を含む、1 日を通しての直接照射エネルギーの寄与を考慮すると、最適な傾斜角はこの推測から外れます。 これから説明するように、それは緯度と曜日の両方に大きく依存します。 地上で受ける総日射量は、直接光線、空の拡散光、地面の反射光という 3 つの主要な要素で構成されます。 地面の反射の寄与は無視できますが、空の拡散放射の寄与は顕著です。 この研究では、直接ビームと空の拡散成分に焦点を当て、地面の反射は無視します。 具体的には、直接ビームと空拡散放射によるエネルギー寄与を別々に計算し、後者については等方性近似を使用して調査します。 この論文では、太陽エネルギー変換特性に対する照射入射角の影響は考慮していません。 一例として、太陽光発電パネルの効率は、太陽光線がパネルに当たる角度によって影響を受けます40、41、42。また、太陽光集光器では拡散照射を収集できません。 この重要かつ困難な問題にはさらなる調査が必要です。 さらに、テクノロジーに依存する効率性は、将来の検討にとって興味深いものとなる可能性があります。 ここでは、エネルギー変換やパネル効率の詳細を掘り下げるのではなく、フラットコレクターが受け取る全体的な照射エネルギーに主に焦点を当てます。 この文書は次のように構成されています。「いくつかの天文学」セクションでは、いくつかの数学的天文学の前提条件が示されています。 「定式化と方法論: 平板受光器の最適な配向」セクションでは、平板型太陽光集熱器の最適な配向について説明し、最適な角度の分析ソリューションを提供します。 「追跡平板との比較」セクションでは、固定平板と追跡平板によって収集される総エネルギーを比較し、その結果を示します。 「文献内の既存の結果との比較」セクションでは、私たちの結果を文献内の同様の既存の結果と比較することに専念しています。 そして最後に、いくつかの最後のコメントでこの論文を締めくくります。