Alkalmas-e a napenergia használata hideg régiókban?

Hogyan javítják a alacsony hőmérsékletek a napelemek hatékonyságát

A hőmérsékleti koefficiensek és a napelemek teljesítménye tudománya

Amikor kint hidegebb lesz, a napelemek tulajdonképpen jobban működnek, ami a negatív hőmérsékleti együtthatónak köszönhető. Ez lényegében azt mutatja meg, hogy hogyan változik a teljesítménykimenet minden egyes Celsius-fokos hőmérséklet-csökkenésre. A legtöbb hagyományos napelem esetében ez az érték körülbelül -0,3% és -0,5% között van fokonként, így jelentősen jobban teljesítenek, amikor a hőmérséklet az alapértelmezett 25 °C (kb. 77 °F) tesztelési pont alá csökken. Ennek a jelenségnek a tudományos háttere is elég érdekes. Alacsonyabb hőmérsékleten kevesebb az ellenállás az elektronok mozgásában a panelek belső félvezető anyagaiban. Ez azt jelenti, hogy a fotovoltaikus cellák hatékonyabban alakítják át a napfényt elektromossággá, anélkül, hogy útközben annyi energiát veszítenének el.

Miért növeli a hidegebb klíma a feszültségkimenetet a fotovoltaikus rendszerekben

A napelemek valójában hidegebb időben működnek jobban, mert az anyagok bennük nem melegednek fel annyira, így nagyobb feszültséget termelnek. Az áramot szállító vezetékek ellenállása is alacsonyabb hidegben. Amikor a hőmérséklet 25 °C alá csökken, minden egy fokos hőmérséklet-csökkenés hozzájárul a napelemek hatásfokának részleges visszanyeréséhez, amit úgynevezett hőmérsékleti koefficiens határoz meg. Ez jelentős különbséget jelent olyan helyeken, ahol a tél mínusz 20 °C vagy még hidegebb lehet. Tanulmányok, amelyek a napelemek teljesítményét vizsgálták fagyos klímájú területeken, azt mutatják, hogy ezek a tényezők együttesen akár 12–15 százalékkal növelhetik az energiahozamot ugyanannyi napsütés mellett, mint melegebb vidékeken.

N-típusú napelemek hatékonyságának javulása alacsony hőmérsékletű környezetben

A hideg időjárási körülmények közötti teljesítményt tekintve az N-típusú monokristályos szilícium panelek jobban teljesítenek a hagyományos paneleknél, mivel jobb hőmérsékleti együtthatóval rendelkeznek. A szabvány panelek kb. 0,35%-ot veszítenek hatékonyságukból Celsius-fokonként, míg ezek a fejlett panelek csak körülbelül 0,25%-ot. Az érintkezők hátsó oldalra helyezésének köszönhetően csökkennek az elektronrekombinációk. Mit jelent ez gyakorlatban? Ezek a panelek akkor is 8–10%-kal jobb hatékonysággal működnek, amikor a hőmérséklet a fagypont alá süllyed. Ezért részesítik előnyben sokan őket Észak-Amerika és az Északi-sarkvidék régióiban. A panelek kimenetük stabilitását megőrzik a hideg ellenére, ami nagy előny, hiszen a téli napok eleve kevés napfényhez jutnak. Sarkvidéki klímájú közösségek számára ez a stabilitás döntheti el, hogy megbízható áramellátásuk van-e, vagy gyakori meghibásodásokkal kell küzdeniük.

A hótakaró hatása a napelemes energia termelésére: Tanulságok Észak-Európából

Amikor hó rakódik a napelemeken, jelentősen csökken a teljesítményük. A hó blokkolja a közvetlen napfényt, és megváltoztatja a fény visszaverődését a felületekről, amit albedóhatásnak nevezünk. A skandináv nagy naperőművekben végzett kutatások szerint már egy kis mennyiségű hó is akár 40–60 százalékkal csökkentheti az energia termelését a téli hónapokban. Ha pedig vastag hóréteg borítja az elemeket, időnként a napsugárzás több mint 90%-a teljesen blokkolódik. Emellett, mivel a hó rendkívül tükröző, inkább visszaveri a napfényt, semmint hagyja, hogy az elérje a napelemcellákat, ahol az áram előállításához szükséges. Ez azt jelenti, hogy a naperőműveknek rendszeres karbantartásra van szükségük a hó eltávolítása érdekében, különösen hidegebb éghajlatú területeken, ahol ezt gyakran meg kell ismételni a tél során.

Teljesítménycsökkenés mérése hólerakódás miatt hideg hónapokban

A havas régiók energiatermelési mintázatai előrejelezhető veszteségeket mutatnak a hó vastagságától függően:

• A kevés por (kevesebb mint 1") napi 15–25%-os teljesítménycsökkenést okoz
• A mérsékelt mennyiségű (1–3") lerakódás 45–60%-os kimenetelcsökkenést eredményez
• A vastag hótakaró (>6") több napig teljesen leállíthatja a termelést

A hegyvidéki telepítések télen 35%-kal nagyobb termeléskiesést tapasztalnak, mint az alföldi rendszerek, a gyakori hóesés és a hosszan tartó hófelhalmozódás miatt.

Passzív és aktív stratégiák a hó felhalmozódásának megelőzésére napelemeknél

Jégoldó technológiák és automatizált hóeltakarítás megbízható teljesítményhez téli körülmények között

Manapság a téli üzemeltetés zavartalanul folyik, köszönhetően a hő- és mechanikus technikák kombinációjának. A hőmérséklet alapján szabályozott fűtőelemek megakadályozzák a hó tapadását, mivel a paneleket elegendően melegen tartják ahhoz, hogy ne fagyjanak be. Eközben a Michigan Egyetemen kifejlesztett speciális bevonatoknak köszönhetően az újonnan hullott hó könnyedén lecsúszik a legtöbb felületről. Kb. tízből kilencszer az új hó mindössze két órán belül eltűnik, amint napfény éri. A skandináv országokban végzett valós körülmények közötti tesztek is ígéretes eredményeket mutattak. Amikor ezek a különböző módszerek együttműködnek, az éves energia-veszteség hó miatt kevesebb, mint 5%, ami jelentős különbséget jelent hideg klímájú területeken folyó műveletek esetében.

Napelemek optimális dőlésszöge, tájolása és kialakítása hideg klímájú területekre

A napsugárzás maximális kihasználása stratégiai dőlésszög és tájolás révén magasabb szélességi fokokon

A napkollektorok a hidegebb, kb. 45 foknál északabbra eső területeken téli hónapokban a legjobban működnek, amikor dőlésszögük durván 15–25 fokkal meredekebb, mint a tényleges földrajzi szélességük. Ez általában 60–75 fokos dőlésszöget jelent. Ez a beállítás akár 18–23 százalékkal is növelheti az áramtermelést a téli hónapokban a hagyományos elrendezésekhez képest. A déli irányba nézés továbbra is rendkívül fontos, mivel majdnem az összes lehetséges napsugarat elnyeli az Északi Féltekén – közel 97%-át az elérhető nappali fénynek. A Moserbaer Solar 2023-as kutatása megerősíti ezt, kimutatva, hogy ezek a beállítások valóban jelentősen javítják a teljesítményt.

A meredekebb dőlések javítják a passzív hólecsúszást, csökkentve a felhalmozódással kapcsolatos veszteségeket akár 11%-kal a hagyományos beállításokhoz képest.

Mérnöki alkalmazkodások a napsugárzás jobb kihasználásáért hideg környezetben

A hideghez optimalizált napelemes rendszerek három kulcsfontosságú tervezési fejlesztést tartalmaznak:

1. SZERKEZETI MEGERŐSÍTÉS : -40 °C-re minősített alumínium keretek ellenállnak a szélsőséges hőtágulásnak
2. Alacsony hőmérsékleten működő napelemcellák : Az N-típusú TOPCon panelek -25 °C (-13 °F) hőmérsékleten is megtartják 94% hatékonyságukat, felülmúlva a szabvány PERC modulokat (88%)
3. Bifaciális konfigurációk : Kétszintű panelek visszatükröződő fényt gyűjtenek a hóról, így télen 19–27%-kal növelik a termelést

A fejlett szerelési rendszerek lehetővé teszik a távoli, évszakhoz igazított dőlésszög-beállítást, miközben a hidrofób üvegfelületek 53%-kal csökkentik a jég tapadását, biztosítva a megbízhatóságot fagyasztási-olvadási ciklusok alatt. Ezen alkalmazkodások együttesen kihasználják a hidegből eredő feszültségnövekedést, miközben minimalizálják a környezeti hátrányokat.

Csökkent napsugárzás kompenzálása téli hónapokban

Szezonális változékonyság a nappali órákban és a napsugárzás intenzitásában hideg éghajlatú területeken

A hideg tél miatt a napok sokkal rövidebbek, és a napsugárzás gyengébb, különösen az északi régiókban, ahol az emberek naponta mindössze körülbelül 4–5 óra gyenge nappali fényre számíthatnak. A csökkent napsütés kevesebb foton érkezését jelenti a napelemek felületére, amely a teljesítményüket valahol 40% és 60% közé csökkenti a nyári hónapokhoz képest. Annak ellenére, hogy a mai napelemek viszonylag jól működnek fagypont alatti hőmérsékleten is, a beeső fény mennyisége időben nem elegendő ahhoz, hogy jelentős mennyiségű elektromos energiát termeljenek. A valódi probléma nem maga a hőmérséklet, hanem az, hogy a napelemekhez napközben mennyire korlátozott a napsugárzás eljutása.

Az energiahozam kihívásai a rövid téli napok alatt, és ezek enyhítésének módjai

Három bevált stratégia segíti ellensúlyozni a téli energiahiányt:

• Nagy hatásfokú monokristályos napelemek amelyek jobban teljesítenek szórt fényviszonyok között
• Kettős tengelyű követőrendszerek amelyek maximalizálják a napelemek napsugárzáshoz való hozzáférését a rövid nappali ablakok alatt
• Termikusan szigetelt akkumulátorbankok amelyek a nappali csúcsidőszakban keletkezett felesleges energiát tárolják

Okos energiatároló megoldásokkal párosítva ezek a módszerek a szezonális termeléskiesés akár 80%-át is ellensúlyozhatják. Kombinálásuk meredebebb, téli optimalizált dőlésszögekkel – különösen magasabb szélességi fokokon, kb. 60°-kal – tovább javítja a napfény hasznosítását és a hó természetes lecsúszását.

GYIK

Hogyan javítják a hideg hőmérsékletek a napelemek hatékonyságát?

A hideg hőmérsékletek csökkentik a napelemek félvezető anyagain belüli ellenállást, így az elektronok szabadabban mozoghatnak, növelve ezzel a hatékonyságot.

Negatívan befolyásolja-e a hóhullás a napelemek működését?

Igen, a hó eltakarhatja a napelemeket, és jelentősen csökkentheti az energiatermelést, akár 90%-kal is, ha nem kerül eltávolításra.

Milyen stratégiák segíthetnek a hó felhalmozódásának megelőzésében napelemeken?

A passzív módszerek, például a panelek dőlésszögének beállítása, valamint az aktív módszerek, mint például a robotos tisztítórendszerek egyaránt hatékonyan csökkenthetik a hófelhalmozódást.

Hogyan kompenzálhatják a napelemek a csökkent napsütést télen?

A magas hatásfokú panelek, két-tengelyes követő rendszerek és hőpufferrel ellátott akkumulátorbankok segíthetnek enyhíteni a rövidebb nappalok hatását.