Je slnečná energia vhodná na použitie v chladných oblastiach?

Ako chladné teploty zvyšujú účinnosť solárnych panelov

Veda o teplotných koeficientoch a výkone solárnych panelov

Keď vonku klesne teplota, solárne panely v skutočnosti pracujú lepšie v dôsledku niečoho, čo sa nazýva negatívny teplotný koeficient. Tento koeficient nám v podstate hovorí, o koľko sa zmení výkon pri každom poklese teploty o jeden stupeň Celzia. Väčšina bežných solárnych panelov má koeficienty pohybujúce sa približne od -0,3 % do -0,5 % na stupeň, takže ich výkon sa výrazne zlepší, keď teplota klesne pod štandardný testovací bod 25 °C (približne 77 °F). Vedlajšia veda je tiež veľmi zaujímavá. Pri nižších teplotách je menší odpor pre elektróny pohybujúce sa cez polovodičové materiály vo vnútri panelov. To znamená, že fotovoltaické články môžu premieňať slnečné svetlo na elektrinu efektívnejšie a strácajú menej energie po ceste.

Prečo chladnejšie klímy zvyšujú výstupné napätie v fotovoltaických systémoch

Solárne panely v skutočnosti lepšie fungujú za chladnejšieho počasia, pretože materiály vo vnútri sa neprehrievajú, čo znamená, že produkujú vyššie napätie. Vodiče, ktoré prenášajú elektrinu, majú tiež nižší odpor, keď je chladnejšie. Keď teplota klesne pod 25 stupňov Celzia, každý stupeň poklesu pomáha solárnym panelom obnoviť časť stratenej účinnosti na základe tzv. teplotného koeficientu. To má reálny vplyv v miestach, kde zimné teploty klesajú až na mínus 20 stupňov Celzia alebo nižšie. Štúdie o výkone solárnych panelov vo veľmi chladných podmienkach ukazujú, že všetky tieto faktory spoločne môžu zvýšiť výrobu energie o 12 až 15 percent viac v porovnaní s podobnými inštaláciami v teplejších oblastiach s rovnakým množstvom slnečného svetla.

Zvýšená účinnosť N-typových solárnych panelov v nízkoteplotných prostrediach

Pokiaľ ide o výkon pri nízkych teplotách, panely z monokryštalického kremíka typu N sú lepšie ako bežné, pretože majú lepšie teplotné koeficienty. Štandardné panely strácajú približne 0,35 % účinnosti na stupeň Celzia, zatiaľ čo tieto pokročilé panely stratia len približne 0,25 %. Tajomstvo spočíva v ich konštrukcii zadného kontaktu, ktorá zníži tie nepriaznivé rekombinácie elektrónov. Čo to znamená v praxi? Tieto panely udržujú účinnosť o 8 až 10 % vyššiu, aj keď teplota klesne pod bod mrazu. Preto ich mnohí inštalatéri solárnych systémov uprednostňujú pre arktické oblasti. Panely udržujú svoj výkon napriek chladu, čo je veľkým plusom, keďže zimné dni od začiatku nemajú dostatok slnečného svetla. Pre komunity v polárnych oblastiach môže táto stabilita rozhodovať medzi spoľahlivým napájaním a častými výpadkami.

Vplyv snehovej pokrývky na výrobu solárnej energie: Pozorovania z severného Európy

Keď sa na solárnych paneloch nahromadí sneh, výrazne klesá ich schopnosť generovať elektrickú energiu. Sneh blokuje priamy slnečný svet a mení spôsob, akým sa svetlo odráža od povrchov, čo je spôsobené takzvaným albedovým efektom. Výskum vykonaný na veľkých solárnych elektrárňach vo Škandinávii ukazuje, že už malé množstvo snehu pokrývajúce panely môže počas intenzívnych zimných mesiacov znížiť výrobu energie približne o 40 až 60 percent. A ak sa tam usadí hrubá vrstva, niekedy sa tak úplne zablokuje viac ako 90 percent celkového slnečného žiarenia. Navyše, keďže sneh je veľmi odrazivý, namiesto toho, aby umožnil dopad svetla na články panelov, kam musí dostať pre výrobu elektriny, odráža ho preč. To znamená, že solárne elektrárne potrebujú pravidelnú údržbu na odstraňovanie snehu, najmä v chladnejších oblastiach, kde k tomu dochádza často počas zimných období.

Stanovenie straty výkonu spôsobenej hromadením sa snehu počas studených mesiacov

Vzorce výroby energie v zasněžených oblastiach odhaľujú predvídateľné straty na základe výšky snehovej pokrývky:

• Ľahké nánosy (<1") spôsobujú denné zníženie výkonu o 15–25 %
• Stredné nánosy (1–3") znižujú výkon o 45–60 %
• Husté snehové nánosy (>6") môžu úplne zastaviť výrobu po niekoľko dní

Inštalácie v horských oblastiach zažívajú o 35 % vyššie straty výroby v zime voči nížinným systémom kvôli častému sneženiu a dlhodobému hromadeniu snehu.

Pasívne a aktívne stratégie na prevenciu hromadenia sa snehu na solárnych paneloch

Technológie odmrazovania a automatizované odstraňovanie snehu pre spoľahlivý výkon v zime

V súčasnosti sú zimné prevádzky udržiavané bez problémov vďaka kombinácii tepelných a mechanických techník. Ohrevové prvky, ktoré sa prispôsobujú podľa teploty, bránia snehu v priľnutí tým, že udržiavajú panely dostatočne teplé, aby nezamrzli. Medzitým špeciálne povlaky vyvinuté na Univerzite v Michigane umožňujú, aby sa čerstvý sneh samovoľne zo väčšiny povrchov odvalil. Asi v deviatich z desiatich prípadov zmizne nový sneh do dvoch hodín od momentu, keď na neho dopadne slnečné svetlo. Reálne testy uskutočnené naprieč Skandináviou tiež ukazujú sľubné výsledky. Keď tieto rôzne metódy pracujú spoločne, množstvo energie stratené kvôli snehu klesá pod 5 % každý rok, čo predstavuje veľký rozdiel pre prevádzku v chladných podnebných podmienkach.

Optimálny sklon, orientácia a návrh solárnych panelov pre chladné podnebie

Maximalizácia zachytávania slnečného svetla prostredníctvom stratéhického sklonu a orientácie v oblastiach s vysokou zemepisnou šírkou

Solárne panely v týchto chladnejších severných oblastiach nad približne 45 stupňami zemepisnej šírky pracujú najlepšie počas zimných mesiacov, keď sú nastavené pod uhlom približne o 15 až 25 stupňov strmšie ako ich skutočná zemepisná šírka. To zvyčajne znamená nastaviť ich pod uhlom sklonu okolo 60 až 75 stupňov. Táto zmena môže zvýšiť množstvo vyrobenej elektrickej energie v zime o 18 až 23 percent voči bežným konfiguráciám. Orientácia panelov na juh je tiež stále veľmi dôležitá, pretože zachytí takmer celé dostupné slnečné svetlo v severnej pologuli – ide o približne 97 % celkového denného svetla. Nedávne výskumy spoločnosti Moserbaer Solar z roku 2023 to jasne potvrdzujú a ukazujú, že tieto úpravy naozaj výrazne ovplyvňujú výkon.

Väčšie sklonenie tiež zlepšuje pasívne odstraňovanie snehu, čím sa straty spôsobené hromadením snehu znížia až o 11 % oproti bežným konfiguráciám.

Inžinierske úpravy pre zlepšené využitie solárneho žiarenia v chladných prostrediach

Solárne systémy optimalizované pre chladné podmienky zahŕňajú tri kľúčové konštrukčné vylepšenia:

1. Konštrukčné zosilnenie : Hliníkové rámy určené pre teplotu -40 °C odolávajú extrémnej tepelnej kontrakcii
2. Fotovoltaické články pre nízke teploty : Panely N-typu TOPCon zachovávajú účinnosť 94 % pri -25 °C (-13 °F), čo je lepšie ako u štandardných PERC modulov (88 %)
3. Dvostranné konfigurácie : Obojstranné panely využívajú odrazené svetlo od snehu, čím zvyšujú výkon v zime o 19–27 %

Pokročilé montážne systémy umožňujú diaľkové sezónne nastavenie sklonu, zatiaľ čo hydrofóbne povrchy sklá znížia prichytenie ľadu o 53 %, čo zabezpečuje spoľahlivosť počas cyklov zmrazovania a rozmrazovania. Tieto úpravy spoločne využívajú zisk napätia spôsobený chladom a zároveň minimalizujú negatívny vplyv prostredia.

Riešenie obmedzeného množstva slnečného svetla v zimných mesiacoch

Sezónna variabilita dĺžky dňa a intenzity slnečného žiarenia v chladných oblastiach

Studené zimy znamenajú oveľa kratšie dni a slabšie slnečné svetlo, najmä v severných oblastiach, kde ľudia môžu mať denne len približne 4 až 5 hodín slabého denného svetla. Menej slnečného svetla znamená menej fotónov dopadajúcich na solárne panely, čo zníži ich výkon o 40 % až 60 % voči letným mesiacom. Hoci súčasné solárne panely dosť dobre fungujú aj pri mrazivých vonkajších teplotách, stále nie je dostatok svetla, ktoré by im počas dňa dopadalo, aby mohli vyrobiť významné množstvo elektriny. Skutočný problém nie je v teplote samotnej, ale v tom, koľko slnečného svetla skutočne počas dňa dopadne na tieto panely.

Výzvy pre výrobu energie počas krátkych zimných dní a spôsoby ich riešenia

Tri overené stratégie, ktoré pomáhajú kompenzovať energetický deficit v zime:

• Vysokej účinnosti monokryštalické panely ktoré lepšie pracujú za podmienok rozptýleného svetla
• Dvojosé systémy sledovania slnka ktoré maximalizujú expozíciu počas krátkych denných intervalov
• Bateriové banky s tepelnou izoláciou ktoré ukladajú prebytočnú energiu z denných špičiek

Ak sú tieto prístupy kombinované so smart riešeniami na skladovanie energie, môžu kompenzovať až 80 % sezónnych strát výroby. Ich kombinácia so strmšími, zimou optimalizovanými uhlami sklonu – najmä približne 60° vo vyšších zemepisných šírkach – ďalej zvyšuje zachytávanie slnečného svetla aj prirodzené odlamovanie snehu.

Často kladené otázky

Ako chladné teploty zvyšujú účinnosť solárnych panelov?

Chladné teploty znižujú odpor vo vnútri polovodičových materiálov solárnych panelov, čo umožňuje elektrónom sa pohybovať voľnejšie a zvyšuje účinnosť.

Má nános snehu negatívny vplyv na solárne panely?

Áno, sneh môže blokovať slnečné svetlo a výrazne znížiť produkciu energie, niekedy až o 90 %, ak sa neodstráni.

Aké stratégie môžu pomôcť zabrániť hromadeniu sa snehu na solárnych paneloch?

Ako pasívne metódy, ako sú nastavenia sklonu panelov, tak aktívne metódy, ako sú robotické systémy na čistenie, môžu účinne znížiť hromadenie sa snehu.

Ako môžu solárne panely kompenzovať znížené množstvo slnečného svetla počas zimy?

Použitie panelov s vysokou účinnosťou, dvojosých systémov sledovania a batérií s tepelnou bariérou môže pomôcť zmierňovať vplyv kratších svetlých hodín.