Sopiiako aurinkoenergia käytettäväksi kylmissä seuduissa?

Miten kylmät lämpötilat parantavat aurinkopaneelien tehokkuutta

Lämpötilakertoimien ja aurinkopaneelien suorituskyvyn tiede

Kun ulkona kylmenee, aurinkopaneelit tosiaan toimivat paremmin ilmiön takia, jota kutsutaan negatiiviseksi lämpötilakertoimeksi. Tämä kertoo meille, kuinka paljon tehontuotto muuttuu asteen Celsius pudottessa. Useimpiin tavallisiin aurinkopaneeleihin liittyy kertoimet noin -0,3–-0,5 % asteella, joten ne toimivat huomattavasti paremmin, kun lämpötila laskee alle standardin testauslämpötilan 25 °C (noin 77 °F). Tämän taustalla oleva tiede on myös melko mielenkiintoinen. Alhaisemmissa lämpötiloissa elektronien liikkeelle puolijohdemateriaaleissa esiintyy vähemmän vastusta. Tämä tarkoittaa, että fotovoltaisia soluja voidaan muuttaa auringonvalo sähköksi tehokkaammin ilman, että energiaa menetetään matkan varrella.

Miksi kylmemmät ilmastoalueet parantavat jännitteen tuotantoa fotovoltaattisissa järjestelmissä

Aurinkopaneelit toimivat itse asiassa paremmin kylmässä säässä, koska niiden sisällä olevat materiaalit eivät lämpene yhtä paljon, mikä tarkoittaa, että ne tuottavat enemmän jännitettä. Sähköä kuljettavissa johtimissa on myös vähemmän vastusta, kun ulkona on kylmä. Kun lämpötila laskee alle 25 asteen Celsius-asteikolla, jokainen asteen pudotus auttaa aurinkopaneeleita palauttamaan osan menetetystä tehokkuudesta niin sanotun lämpötilakertoimen mukaan. Tämä tekee todellisen eron paikoissa, joissa talvet voivat laskea miinus 20 asteeseen Celsius-asteikolla tai alhaisemmalle. Tutkimukset aurinkopaneelien suorituskyvystä pakkasilmastoissa osoittavat, että kaikki nämä tekijät yhdessä voivat lisätä energiantuottoa 12–15 prosenttia verrattuna samankaltaisiin asennuksiin lämpimämmillä alueilla, joilla on sama määrä auringonvaloa.

N-tyyppisten aurinkopaneelien parantunut tehokkuus alhaisissa lämpötiloissa

Kylmässä suorituskykynsä osalta N-tyyppiset monokiteiset piipaneelit ovat parempia kuin tavalliset paneelit, koska niillä on paremmat lämpötilakertoimet. Tavallisten paneelien hyötysuhde laskee noin 0,35 % asteessa Celsius, kun taas näiden kehittyneempien paneelien tehohäviö on noin 0,25 %. Salaisuus piilee niiden takapintaan sijoitetussa kontaktirakenteessa, joka vähentää häiritseviä elektronien rekombinaatioita. Mitä tämä käytännössä tarkoittaa? Näillä paneeleilla säilyy 8–10 % parempi hyötysuhde, vaikka lämpötila laskee pakkasen puolelle. Siksi monet aurinkopaneelien asentajat suosivat niitä arktisilla alueilla. Paneelit säilyttävät tuotantonsa kylmässä, mikä on suuri etu, sillä talvella päivät ovat alusta alkaen liian lyhyitä riittävän auringonvalon saamiseksi. Napaseuduissa asuville yhteisöille tämä vakaus voi merkitä luotettavan sähkönsaannin ja useiden katkojen eroa.

Lumipeitteen vaikutus aurinkoenergiantuotantoon: Havaintoja Pohjois-Euroopasta

Kun lun kerrostuma aurinkopaneeleille, se heikentää huomattavasti niiden kykyä tuottaa sähköä. Lunta peittää suoran auringonvalon ja muuttaa valon heijastumista pinnoilta jotakin, jota kutsutaan albedo-efektiksi. Tutkimukset Skandinaviassa sijaitsevissa suurissa aurinkovoimaloissa osoittavat, että jo pieni määrä lunta paneeleilla voi vähentää energiantuotantoa noin 40–60 prosenttia vilkkaan talvikauden aikana. Ja jos paksu lumikerros on paikallaan, joskus yli 90 % kaikista auringonsäteistä estyy täysin. Lisäksi, koska lumi on erittäin heijastavaa, se itse asiassa heijastaa auringonvaloa pois sen sijaan, että antaisi sen osua paneelien soluihin, jonne se tarvitaan sähköntuotantoon. Tämä tarkoittaa, että aurinkopuistoille tarvitaan säännöllistä kunnossapitoa lumen poistamiseksi, erityisesti kylmemmissä alueilla, joissa tätä ilmiötä esiintyy usein talviaikoina.

Sähkön menetyksen määrällinen arviointi luntyypityksen vuoksi kylminä kuukausina

Lumisissa alueissa energiantuotannon mallit paljastavat ennustettavissa olevia tappioita luntyypityksen syvyyden perusteella:

• Kevyt lunta (<1") aiheuttaa 15–25 %:n päivittäisen tehon laskun
• Kohtalainen lunta (1–3") vähentää tuotantoa 45–60 %
• Paksu lumipeite (>6") voi pysäyttää sähköntuotannon kokonaan useiksi päiviksi

Vuoristoissa sijaitsevat asennukset kärsivät 35 % suuremmista talvisista tuotantomenetyksistä kuin alueiden järjestelmät taajuuden lumisateen ja pitkittyneen lumettumisen vuoksi.

Passiiviset ja aktiiviset strategiat aurinkopaneeleiden lumettumisen estämiseksi

Jäänesto- ja automaattiset lumenpoistoteknologiat luotettavaa talviaikana toimintaa varten

Nykyään talviaikaisten toimintojen sujuvuus varmistetaan lämmön ja mekaanisten menetelmien yhdistelmällä. Lämpötilaan mukaantuvat lämmityselementit estävät lunta tarttumasta säilyttämällä paneelit riittävän lämpiminä, etteivät ne jäätyisi. Samalla Michiganin yliopistossa kehitetyt erikoispäällysteet saavat tuoreen lumen liukumaan pois useimmilta pinnoilta. Noin 9 kertaa kymmenestä uusi lumi on poissa enintään kahdessa tunnissa auringon valkiessa. Käytännön testit Skandinaviassa ovat myös osoittaneet lupaavia tuloksia. Kun nämä eri menetelmät toimivat yhdessä, lumen aiheuttama vuotuinen energiahäviö jää alle 5 %:iin, mikä merkitsee suurta eroa kylmissä ilmastoissa toimiville järjestelmille.

Aurinkopaneelien optimaalinen kallistuskulma, suuntautuminen ja suunnittelu kylmissä ilmastoissa

Auringonvalon hyödyntämisen maksimointi strategisella kallistuksella ja suunnalla korkeilla leveysasteilla

Aurinkopaneeleita kylmämmillä pohjoisalueilla noin 45 asteen yläpuolella käytettäessä ne toimivat parhaiten talvikuukausina, kun niiden kallistuskulma on noin 15–25 astetta jyrkempi kuin niiden sijaintipaikan leveysaste. Tämä tarkoittaa yleensä asennuskulmaa noin 60–75 astetta. Tällainen säätö voi lisätä sähköntuotantoa talvella 18–23 prosenttia verrattuna tavallisiin asennuksiin. Etelään suuntaaminen on edelleen erittäin tärkeää, koska se mahdollistaa lähes kaiken saatavilla olevan auringonvalon keräämisen Pohjoisella pallonpuoliskolla – puhutaan lähes 97 prosentista päivänvalosta. Moserbaer Solarin vuoden 2023 tutkimus tukee tätä vahvasti, ja siinä osoitetaan, että nämä säädöt parantavat todella tehokkuutta.

Jyrkemmät kallistuskulmat parantavat myös passiivista lunta irrottavaa vaikutusta, vähentäen kertymään liittyviä häviöitä jopa 11 % verrattuna perinteisiin järjestelmiin.

Teknisten ratkaisujen sopeuttaminen auringonsäteilyn tehokkaampaan hyödyntämiseen kylmissä olosuhteissa

Kylmään optimoidut aurinkosysteemit sisältävät kolme keskeistä suunnitteluparannusta:

1. RAKENNUSVÄHITTYMINEN : -40 °C:n alumiinikehykset kestävät äärimmäistä lämpölaajenemista
2. Alhaisen lämpötilan fotovoltaikkokennot : N-tyyppiset TOPCon-paneelit säilyttävät 94 %:n tehokkuuden -25 °C:ssa (-13 °F), mikä ylittää standardien PERC-moduulien (88 %) suorituskyvyn
3. Kaksipuoliset konfiguraatiot : Kaksipuoleiset paneelit keräävät lumesta heijastuvaa valoa, lisäten talvella tuotantoa 19–27 %

Edistyneet asennusjärjestelmät mahdollistavat kauko-ohjattavat vuodenaikojen mukaiset kallistuskulman säädöt, kun taas vesihylkivät lasipäällysteet vähentävät jäiden tarttumista 53 %, varmistaen toimintavarmuuden jäätyminen-sulaminen-kiereissä. Yhdessä nämä sopeutumat hyödyntävät kylmästä johtuvia jännitevoittoja samalla kun minimoitetaan ympäristölliset haitat.

Heikentyneen auringonvalon saatavuuden huomioiminen talvikuukausina

Kesäaikaiset vaihtelut valoisaan aikaan ja auringon intensiteettiin kylmissä alueissa

Kylmät talvet tarkoittavat paljon lyhyempiä päiviä ja heikompaa auringonvaloa, erityisesti pohjoisilla alueilla, joissa ihmiset saattavat saada vain noin 4–5 tuntia heikkoa päivänvaloa joka päivä. Vähemmän valoa tarkoittaa vähemmän fotonien osuvan aurinkopaneeleihin, mikä laskee niiden tehotulon johonkin 40–60 %:n väliin kesäkuukausien tuotannon verrattuna. Vaikka nykyaikaisten aurinkopaneelien toiminta on melko hyvää myös pakkasella, valoa ei silti saavu riittävästi ajallisesti tuottamaan merkityksellistä määrää sähköä. Oikea ongelma ei ole itse lämpötila, vaan se, kuinka vähän auringonvaloa todella saavuttaa kyseiset paneelit koko päivän aikana.

Energiantuotannon haasteet lyhyillä talvipäivillä ja niiden lievittäminen

Kolme todettua strategiaa auttaa vastustamaan talviaikaista energiapulaa:

• Korkea hyötysuhteella varustetut monokiteiset paneelit jotka toimivat paremmin hajavalossa
• Kaksisuuntaiset seurantajärjestelmät jotka maksimoivat altistumisen lyhyillä valoisaan aikaan
• Lämpöeristetyt akkupaketit jotka varastoitavat ylijäävää energiaa keskipäivän huippukulutuksista

Kun nämä ratkaisut yhdistetään älykkäisiin energiavarastoihin, ne voivat kompensoida jopa 80 % kausivaihteluiden aiheuttamista tuotantomenetyksistä. Niiden yhdistäminen jyrkempiin, talvea varten optimoituihin asentokulmiin – erityisesti noin 60° korkeilla leveysasteilla – parantaa entisestään sekä auringonvalon keruuta että luontaisen lunta irtoamista.

UKK

Miten kylmä lämpötila parantaa aurinkopaneelien tehokkuutta?

Kylmä lämpötila vähentää aurinkopaneelien puolijohdemateriaalien sisäistä vastusta, mikä mahdollistaa elektronien liikkumisen vapaammin ja lisää tehokkuutta.

Vaikuttaako luntauraus negatiivisesti aurinkopaneeleihin?

Kyllä, lumi voi estää auringonvalon pääsyn ja merkittävästi vähentää energiantuotantoa, joskus jopa jopa 90 %, ellei sitä poisteta.

Mitkä strategiat voivat auttaa estämään lumipeitteen muodostumista aurinkopaneeleille?

Sekä passiiviset menetelmät, kuten paneelien kaltevuuden säätäminen, että aktiiviset menetelmät, kuten robottipohjaiset puhdistusjärjestelmät, voivat tehokkaasti vähentää luntaurausta.

Kuinka aurinkopaneelit voivat kompensoida vähentyneen auringonvalon talvella?

Korkea hyötysuhteella varustetut paneelit, kaksisuuntaiset seurantajärjestelmät ja lämpöeristetyt akkupaketit voivat lievittää lyhyempien päivien vaikutuksia.