Ar saulės energija tinka naudoti šaltose vietovėse?

Kaip žemos temperatūros pagerina saulės baterijų efektyvumą

Temperatūros koeficientų ir saulės baterijų veikimo mokslas

Kai lauke atšąla, saulės baterijos iš tikrųjų veikia geriau dėl to, kas vadinama neigiamu temperatūros koeficientu. Tai mums esminiai parodo, kiek keičiasi energijos išvestis su kiekvieno laipsnio Celsijaus temperatūros sumažėjimu. Dauguma įprastų saulės baterijų turi koeficientus apie -0,3 % iki -0,5 % vienam laipsniui, todėl jų našumas pastebimai pagerėja, kai temperatūra nukrenta žemiau standartinio bandymo taško – 25 °C (arba apie 77 °F). Už šį reiškinį slypinti mokslinė pagrindas taip pat yra gan įdomi. Žemesnėse temperatūrose mažesnis elektronų pasipriešinimas judant per puslaidininkinių medžiagų sluoksnius baterijose. Tai reiškia, kad fotovoltinės elementės gali efektyviau paversti saulės šviesą elektra, neprarandant tiek daug energijos kelyje.

Kodėl šaltesnės klimato sąlygos padidina įtampą fotovoltinėse sistemose

Saulės baterijos iš tikrųjų veikia geriau šaltesnu oru, nes jų viduje esančios medžiagos nekaista taip stipriai, dėl ko jos gamina didesnį įtampą. Laidai, pernešantys elektros srovę, taip pat turi mažesnį varžą, kai yra vėsu. Kai temperatūra nukrenta žemiau 25 laipsnių Celsijaus, kiekvienas laipsnio sumažėjimas padeda saulės baterijoms atkurti dalį prarastos efektyvumo, remiantis tuo, kas vadinama temperatūros koeficientu. Tai daro realią įtaką vietose, kur žiemą temperatūra nukrenta iki minus 20 laipsnių Celsijaus arba dar žemiau. Tyrimai, nagrinėjantys saulės baterijų našumą šaltuose klimatuose, rodo, kad visi šie veiksniai kartu gali padidinti energijos išvestį nuo 12 iki 15 procentų lyginant su panašiomis saulės elektrinėmis šiltesnėse vietovėse, gaunančiomis tokį patį saulės šviesos kiekį.

N tipo saulės baterijų efektyvumo didėjimas žemoje temperatūroje

Kalbant apie našumą šaltu oru, N tipo monokristaliniai silicio skydeliai pranašesni už įprastus dėl geresnių temperatūrinių koeficientų. Standartiniai skydeliai kiekvienam laipsniui Celsijaus temperatūrai krenta apie 0,35 % efektyvumo, tuo tarpu šie pažangūs skydeliai praranda tik apie 0,25 %. Paslaptis slypi jų galinio kontakto konstrukcijoje, kuri sumažina vargančias elektronų rekombinacijas. Ką tai praktiškai reiškia? Šie skydeliai išlaiko 8–10 % geresnį efektyvumą net tada, kai temperatūra nukrenta žemiau užšalimo taško. Dėl to daugelis saulės energijos sistemų diegėjų juos renkasi Arkties regionams. Skydeliai išlaiko savo išvestį nepaisant šalčio, kas yra didelis pliusas, nes žiemos dienomis nuo pat pradžių paprasčiausiai trūksta saulės šviesos. Poliarinėse klimato zonose esančioms bendruomenėms ši stabilumas gali skirti skirtumą tarp patikimos energijos tiekimo ir dažnų gedimų.

Sniego padengimo poveikis saulės energijos gamybai: sužinokite iš Šiaurės Europos patirties

Kai ant saulės baterijų kaupiasi sniegas, jų energijos gamybos gebėjimas žymiai sumažėja. Sniegas užstoja tiesioginį saulės šviesą ir keičia šviesos atspindžio nuo paviršių būdą dėl reiškinio, vadinamo albedu. Tyrimai didelėse saulės elektrinėse Skandinavijoje rodo, kad net nedidelis saulės baterijų padengimas sniegu gali sumažinti energijos gamybą apie 40–60 procentų per intensyviausius žiemos mėnesius. Jei yra stora sniego sluoksnis, kartais daugiau nei 90 procentų visos saulės šviesos visiškai užblokuojama. Be to, kadangi sniegas labai atspindi šviesą, jis iš tikrųjų atmeta saulės spindulius, vietoj to, kad leistų jiems pasiekti elementus, kur tai būtina elektros energijos gamybai. Tai reiškia, kad saulės elektrinėms reikia reguliaraus priežiūros darbo – šalinti sniegą, ypač šaltose vietovėse, kur tokie reiškiniai žiemą pasitaiko dažnai.

Energetinių nuostolių kiekio nustatymas dėl sniego kaupimosi šaltuoju metų laiku

Energetikos gamybos modeliai sniegingose vietovėse atskleidžia prognozikuotinus nuostolius, priklausančius nuo sniego storio:

• Lengvas dulkes (<1") sukelia 15–25 % kasdienį energijos sumažėjimą
• Vidutiniai kaupimasis (1–3") sumažina išvestį 45–60 %
• Storas sniego sluoksnis (>6") gali visiškai sustabdyti energijos gamybą kelias dienas

Kalnuose esančios instaliacijos patiria 35 % didesnius žiemos metu energijos praradimus nei lygumose dėl dažno sniego ir ilgalaikio kaupimosi.

Aktyvios ir pasyvios strategijos, skirtos užkirsti kelią sniegui kaupiantis ant saulės baterijų

Apšildymo technologijos ir automatinis sniego šalinimas patikimam žiemos veikimui

Šiuolaikinėse sąlygose žiemos veikla užtikrinama derinant šilumos ir mechaninius metodų. Temperatūrai reaguojantys šildymo elementai neleidžia sniegui kibti, palaikydami pakankamai šiltą fotovoltinių plokščių paviršių, kad jis neužšaltų. Tuo tarpu specialūs Mičigano universiteto sukurti dangalai padeda šviežiam sniegui slysti nuo daugumos paviršių. Apie 9 atvejais iš 10 naujas sniegas ištirpsta per maždaug du valandas po to, kai pateka saulės spinduliai. Tikrųjų sąlygų bandymai Skandinavijoje taip pat rodo pažangą. Kai šie skirtingi metodai veikia kartu, dėl sniego prarandama mažiau nei 5 % energijos kasmet, kas yra esminis skirtumas veikimui šaltose klimato zonose.

Optimalus saulės baterijų pasvirimas, orientacija ir konstrukcija šaltoms klimato zonoms

Saulės šviesos sugavimo maksimizavimas strategiškai sureguliavus nuolydį ir orientaciją aukštojoje platumoje esančiose vietovėse

Šios šaltose šiaurinėse apylinkėse, esančiose virš maždaug 45 laipsnių platumos, saulės baterijos žiemos mėnesiais veikia geriausiai, kai jų nuolydis yra apie 15–25 laipsniais didesnis nei atitinkama geografinė platumė. Paprastai tai reiškia, kad jų nuolydis turėtų būti apie 60–75 laipsnius. Toks reguliavimas gali padidinti elektros energijos gamybą žiemą nuo 18 iki 23 procentų, palyginti su įprastomis konfigūracijomis. Taip pat labai svarbu nukreipti saulės baterijas į pietus, nes tai leidžia sugauti beveik visą galimą saulės šviesą Šiaurės pusrutulyje – kalbame apie beveik 97 procentų esamos dienos šviesos. 2023 metų Moserbaer Solar tyrimai tai patvirtina, rodydami, kad tokie reguliavimai tikrai padidina našumą.

Stipresni nuolydžiai taip pat pagerina savaime vykstantį sniego nuslydimą, sumažindami susikaupimo praradimus iki 11 % lyginant su įprastomis konfigūracijomis.

Inžineriniai prisitaikymai saulės spinduliavimo panaudojimui šaltose aplinkose

Šaltui optimizuotos saulės energijos sistemos apima tris pagrindinius konstrukcinius patobulinimus:

1. Konstrukcinis įtvirtinimas : Aliuminio rėmai, skirti -40 °C temperatūrai, atlaiko ekstremalų terminį susitraukimą
2. Žemų temperatūrų fotovoltinės elementai : N tipo TOPCon plokštės išlaiko 94 % efektyvumą esant -25 °C (-13 °F), pranašesnės už standartines PERC modulėmis (88 %)
3. Dvipusės konfigūracijos : Dvipusės plokštės sugauna atspindėtą šviesą nuo sniego, padidindamos žiemos metu gautą energiją 19–27 %

Pažangūs tvirtinimo sprendimai leidžia nuotolinius sezoninius nuolydžio reguliavimus, o hidrofobinės stiklo dangos sumažina ledo prikimšimą 53 %, užtikrindamos patikimumą per šilumos ir šalčio ciklus. Kartu šie prisitaikymai panaudoja šalčiu sąlygotus įtampos laimėjimus, tuo pačiu mažindami aplinkos neigiamas pasekmes.

Mažesnio saulės šviesos kiekio žiemą problemų sprendimas

Dienos šviesos valandų ir saulės intensyvumo šaltuose regionuose sezoninė svyravimybė

Šalta žiema reiškia daug trumpesnes dienas ir silpnesnį saulės spinduliuotį, ypač šiauriniuose regionuose, kur žmonės gali gauti tik apie 4 iki 5 valandas silpnos dienos šviesos kiekvieną dieną. Mažiau saulės šviesos reiškia, kad mažiau fotonų susiduria su saulės baterijomis, kas sumažina jų energijos kiekį 40-60% nuo to, ką jie gamina vasaros mėnesiais. Nors šiandieniniai saulės panelai veikia gana gerai, kai lauke šalta, vis dar nėra pakankamai šviesos, kuri ateitų per laiką, kad generuotų reikšmingą kiekį elektros energijos. Tikroji problema yra ne pati temperatūra, bet kiek saulės spindulių iš tikrųjų pasiekia tuos panelius per dieną.

Kaip sumažinti energijos vartojimo sunkumus per trumpą žiemos laiką

Trys patikrintos strategijos padeda kovoti su žiemos energijos deficitais:

• Aukštos efektyvumo monokristalinės plokštės kurie geriau veikia sklaidytos šviesos sąlygomis
• Dvigubo ašies sekimo sistemos kurios maksimaliai padidina apšvietimą per trumpas dienos šviesos trukmes
• Šiluminiu būdu izoliuotos akumuliatorių bankai kurie kaupia perteklinę energiją iš vidudienio energijos pikų

Kai šios priemonės naudojamos kartu su protingomis energijos kaupimo sistemomis, jos gali kompensuoti iki 80 % sezoninių gamybos nuostolių. Jų derinimas su didesniais, žiemai optimizuotais nuolydžiais – ypač apie 60° aukštesnėse platumose – dar labiau padidina saulės šviesos sugavimą ir palengvina natūralų sniego nuslinkimą.

DUK

Kaip žemos temperatūros padidina saulės baterijų efektyvumą?

Žemos temperatūros sumažina varžą puslaidininkiniuose saulės baterijų elementuose, leisdamos elektronams judėti laisviau ir padidindamos efektyvumą.

Ar sniego kaupimasis neigiamai veikia saulės baterijas?

Taip, sniegas gali užblokuoti saulės šviesą ir žymiai sumažinti energijos gamybą, kartais net iki 90 %, jei jis nenušalinamas.

Kokios strategijos gali padėti išvengti sniego kaupimosi ant saulės baterijų?

Ir pasyvūs metodai, tokiu kaip saulės baterijų nuolydžio kampų reguliavimas, ir aktyvūs metodai, tokie kaip robotiniai valymo įrenginiai, gali efektyviai sumažinti sniego kaupimąsi.

Kaip saulės baterijos gali kompensuoti sumažėjusį saulės šviesos kiekį žiemą?

Naudojant aukštos efektyvumo plokštes, dviejų ašių sekimo sistemas ir šiluminiu buferiu apsaugotas akumuliatorių bankas galima sumažinti trumpesnių dienos valandų poveikį.