Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Zon volgen en beschaduwing bij HCPV-GO
Marc van der Sluys
Paul van Kan, Herold Cremer, Jurgen Reintjes, Zhihao Wu
Lectoraat Duurzame EnergieHogeschool van Arnhem en Nijmegen
Onderzoeksmiddag HAN, november 2015
1/27
Outline
1 Inleiding: HCPV-GO
2 SolTrack: een zonnevolgroutineNauwkeurigheid en verlies van vermogenRefractie in de aardatmosfeerDe SolTrack-routineNauwkeurigheid SolTrackVan SolTrack naar SolTraQ
3 Onderlinge beschaduwing door de HCPV-GO-unitsOntwerp HCPV-GO-unitsModel en opstelling van HCPV-GO-unitsInkomende zonnestraling en beschaduwingVoorbeelden zomer, winter en jaarlijksConclusies en toekomst
2/27
Outline
1 Inleiding: HCPV-GO
2 SolTrack: een zonnevolgroutineNauwkeurigheid en verlies van vermogenRefractie in de aardatmosfeerDe SolTrack-routineNauwkeurigheid SolTrackVan SolTrack naar SolTraQ
3 Onderlinge beschaduwing door de HCPV-GO-unitsOntwerp HCPV-GO-unitsModel en opstelling van HCPV-GO-unitsInkomende zonnestraling en beschaduwingVoorbeelden zomer, winter en jaarlijksConclusies en toekomst
3/27
HCPV-GO
HooggeConcentreerde PV zonne-energie voor deGebouwde Omgeving
Gebruik een lens om direct zonlicht op een modernezonnecel te projecteren
Diffuus licht blijft over voor verlichting
Toepassingen: kassen, lichtstraten, winkelcentra, etc.
Maar: moet volgen!
4/27
Outline
1 Inleiding: HCPV-GO
2 SolTrack: een zonnevolgroutineNauwkeurigheid en verlies van vermogenRefractie in de aardatmosfeerDe SolTrack-routineNauwkeurigheid SolTrackVan SolTrack naar SolTraQ
3 Onderlinge beschaduwing door de HCPV-GO-unitsOntwerp HCPV-GO-unitsModel en opstelling van HCPV-GO-unitsInkomende zonnestraling en beschaduwingVoorbeelden zomer, winter en jaarlijksConclusies en toekomst
5/27
Een zonnevolgroutine
Eisen:
Nauwkeurig (. 0,01◦)
Snel (voor microcontroller)
Voor elke locatie op Aarde
Voor elk moment (dagelijkse, jaarlijkse beweging)
Positie in azimutale en parallactische coordinaten
6/27
Nauwkeurigheid
Onnauwkeurig richten leidt tot verlies in vermogen:
S(x) =1
2+
1
π
[
sin−1
(
x− r
r
)
+
(
x− r
r
)√
x
r
(
2−x
r
)
]
x = 0,01◦ → S(x) = 0,4%
x = 0,10◦ → S(x) = 13%
xr-x
r
S(x)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Misalignment (°)
Fra
cti
onal pow
er
loss
Van der Sluys et al., 20157/27
Refractie
Refractie in de aardatmosfeer:
∼ 0,5◦ bij zonsopkomst en zonsondergang
0◦ in het zenit
Gemiddeld in Nederland: ∼ 0,07◦
8/27
Schrijven en testen
Schrijven van de SolTrack-routine:
Gebaseerd op libTheSky
Correctie voor refractie in de atmosfeer
Conversie naar horizontale, parallactische encardanische coordinaten
Opkomst en ondergang van de Zon
http://soltrack.sf.net
Testen van de routine:
100.000 willekeurige data en tijdstippen:
2014 – 2113Zon boven de horizonazimutale en parallactische coordinaten
Vergelijk met nauwkeurige routines voor:
positie: VSOP87 (∼ 10−6◦)refractie (numerieke integratie)
9/27
Nauwkeurigheid SolTrack
Resultaat:
Nauwkeurigheid: 0,0036 ± 0,0038◦
Verlies vermogen: 0,095%
Van der Sluys et al., in preparation10/27
Nauwkeurigheid SolTrack
Resultaat:
Nauwkeurigheid: 0,0036 ± 0,0038◦
Verlies vermogen: 0,095%
Van der Sluys et al., in preparation11/27
SolTrack vs. SunPos en SPA
Resultaat:
SunPos SPA SolTrackAccuracy abs. 0.073±0.091◦ 0.0023±0.0037◦ 0.0036±0.0038◦
rel. 19.7× 0.62× 1.00×
Power loss 8.2% 0.048% 0.095%CPU time rel. 1.11× 7.13× 1.00×
Van der Sluys et al., 2015 12/27
Van SolTrack naar SolTraQ
Semi-handmatige aansturing
Aansturing vanaf PC
GUI m.b.v. Qt
Demo-mode voor slecht weer
13/27
Outline
1 Inleiding: HCPV-GO
2 SolTrack: een zonnevolgroutineNauwkeurigheid en verlies van vermogenRefractie in de aardatmosfeerDe SolTrack-routineNauwkeurigheid SolTrackVan SolTrack naar SolTraQ
3 Onderlinge beschaduwing door de HCPV-GO-unitsOntwerp HCPV-GO-unitsModel en opstelling van HCPV-GO-unitsInkomende zonnestraling en beschaduwingVoorbeelden zomer, winter en jaarlijksConclusies en toekomst
14/27
Ontwerp HCPV-GO-units
15/27
Model van een HCPV-GO-unit
Aannames:
Lens: 1× 1m
Diepte: 1m
Rotatiepunt: optimaal voor kleinstedraaicirkel:
#1 → r1 = 0.75m; buffer: 0,1mtussen units: d = 2ri + b = 1,6m
Verwaarloos afmetingen zonnecel
Units in plat vlak
16/27
Opstelling van HCPV-GO-units
2D patroon voor draaicirkels
Rechthoekig
‘Honingraat’
Rijen factor√3/2 dichter op elkaar
15% meer energie-opwekking per m2 (maar: schaduw!)13% minder doorvallend direct zonlicht per m2
17/27
Inkomende zonnestraling
Zonnestraling aan het aardoppervlak:
Zonneconstante (∼ 1361,5W/m2)
Afstand Aarde–Zon (± ∼ 4%)
Extinctie in de atmosfeer vs. hoogte
18/27
Beschaduwing
Onderlinge beschaduwing door HCPV-GO units:
‘Bekijk’ lenzen vanuit de positie van de Zon
Wanneer lenzen overlappen is er sprake vanbeschaduwing
R = Ry(−h) Rz(−A)
=
cosh cosA − cosh sinA sinh− sinh cosA sinh sinA cosh
sinA cosA 0
19/27
Voorbeeld zomer
Veldje HCPV-GO units op 21 juni, 17:24 uur:
Geen beschaduwing; ∼ 977 W/m2 voor PV
Dagelijks 86% voor PV (10,0 kWh/m2 bij 100% Zon)
Dagelijks 36% (max. 48%) direct licht op de grond
Van der Sluys et al., 2015
20/27
Voorbeeld winter
Veldje HCPV-GO units op 21 december, 12:00 uur:
Veel beschaduwing; ∼ 267 W/m2 voor PV
Dagelijks 45% voor PV (1,1 kWh/m2 bij 100% Zon)
Dagelijks 3% direct licht op de grond
21/27
Jaarlijkse gegevens Arnhem
Bij volledige Zon: 2700 kWh/m2 zonlicht beschikbaar
2163 kWh/m2 (80%) voor PV439 kWh/m2 (25%) wordt doorgelaten
22/27
Weerdata van WUR, Haarweg
2002–2011, iedere 10 minuten
Percentage zonneschijn afgeleid uit stralingsmetingen
Gebruik gemiddelde over 10 jaar, voor ieder 10-min slot
23/27
Jaarlijkse gegevens Arnhem
Realistisch weer: 939 kWh/m2 zonlicht (35%)
767 kWh/m2 (28%) voor PV161 kWh/m2 (9%) wordt doorgelaten
Van der Sluys et al., 2015
24/27
Jaarlijkse gegevens Arnhem
Afstand tussen units: 1.23m (kunnen elkaar raken)
1746/624 kWh/m2 (65/23%) voor PV82/30 kWh/m2 (4.6/1.7%) wordt doorgelaten
Van der Sluys et al., 2015
25/27
Vergelijken grids:
Afst. PV/m2 PV Grond Raken? Kost/m2
1.60m 767 kWh 80% 25% Nee 100%1.23m 624 kWh 65% 4.6% Kan 171%1.00m 501 kWh 52% 0.9% Steeds 222%
26/27
Conclusies en toekomst
Conclusies:
Nauwkeurige volginrichting HCPV-GO
SolTrack: http://soltrack.sf.netEerste prototype is gebouwd, draait en wordt getest
Modellen HCPV-GO
’s Zomers veel PV en veel direct zonlicht op de grond’s Winters weinig PV en direct zonlicht op de grond
Volgende stappen:
Open loop → closed loop
Corrigeren voor imperfecte installatie
Energieconversie meewegen voor absolute opbrengst
Hoe efficient is HCPV-GO?
HCPV-GO in andere klimaten?
27/27