אילו גורמים משפיעים על יעילות הטעינה של מנורת סולארית?

זמינות האור השמשי: עוצמת הקרינה, משך הזמן והאיכות הספקטרלית

אור שמש ישיר לעומת אור שמש לא ישיר והשפעת אי-התאמה הספקטרלית על ספיגת האור על ידי הלוח הסולארי של המנורה

האור השמשי הישיר מאפשר המרה של אנרגיה במנורות סולריות בכמעט 30% יותר מאשר אור שמש מפוזר (או עקיף), בשל פגיעה פרפנדיקולרית של פוטונים בעוצמה גבוהה יותר. יעילות הלוח הסולרי באור שמש ישר נמוכה ב-15%-25% עקב אי התאמה ספקטרלית, כאשר האור הסביבתי נמצא מחוץ לטווח האורכי הגל האופטימלי לספיגת הלוח הסולרי. ספיגת האור התת-אדום (760–1400 ננומטר) בבקרים ובערבים יוצרת מתח נמוך יותר מאשר ספיגת האור הנראה בצהריים. ללוחות מונוקריסטליניים יש השפעה שלילית קטנה יותר מהשינוי הספקטרלי, אך הם עדיין סובלים מאבדות של 8–12% בעוצמת קרינה נמוכה.

תפעול אמין של מנורות סולריות עם שינויים עונתיים וגאוגרפיים בעוצמת הקרינה השמשית היומית.

רמת האוטונומיה של מנורת סולארית משתנה בהתאם לעונה ולמיקום הגאוגרפי. באזור האקוואטורי יש בממוצע 5.2 שעות שמש מרביות, בעוד שברוחב גеוגרפי של 45° יש רק 2.8 שעות שמש מרביות. גם באזורי אקלים מתון, קרני השמש בחורף נמוכות מהאופטימום ויוכלו לפגוע ביצירת החשמל ב-40–70%. הקרינה האופקית הגלובלית (GHI) בטורונטו בקיץ היא 5.6 קילוوات-שעה למטר רבוע ליום, בעוד שבדצמבר ה-GHI יורד ל-1.9 קילוوات-שעה למטר רבוע ליום. בפריפריה הצפונית, הקרינה המפוזרת היא הנפוצה ביותר. בדצמבר בפינלנד, 85% מה-GHI מגיע מהקרינה המפוזרת, כלומר תפוקת הפאנלים תהיה נמוכה מאוד. כדי להסתמך על פאנלים סולאריים במיקומים בהם יש חוסר גאוגרפי ועונתי, יש להגדיל את גודל הפאנלים ב-20–35%.

אתגרים סביבתיים: צללים, זיהום והכיוון של הפאנלים

הצטברות אבק, זוהמה וرطיבות: הכמתת האובדן בתפוקה הנגרם מזיהום פאנלי המנורה הסולארית

הצטברות אבק וגרעינים על הלוחות חוסמת את האור ופוגעת ישירות ביצירת החשמל. במיוחד בסביבה יבשה ומזוהמת, אובדן היעילות עקב הצטברות אבק יכול להגיע ל-15–20% בשנה ללוחות המותקנים בשיפוע שטוח, אשר נוטים להזדהות עם תופעת הניקוי העצמי ביותר. הרטיבות מחריפה את המצב על ידי היווצרות שכבת רסיס דביקה שאוסרת חלקיקים. שיפוע של הלוחות ב-10–15 מעלות יכול לשפר את יעילות הניקוי במים. לשם שמירה על הביצועים, מבוצעת פעולת ניקוי אחת לרבעון. התעלמות מתהליך זה עלולה להפחית את הפקת האנרגיה השנתית עד 25%; לכן, הצטברות אבק היא אחת מהבעיות הניתנות למניעה בקלות, אך לעיתים קרובות גורמת לאיבוד האוטונומיה העצמית של מנורות הסולר.

השפעות הטמפרטורה וההדרוג על מנורות סולריות

השפעת טמפרטורת הסביבה על סוללות ליתיום-יון ועל סוללות עופרת-חמצן במנורות סולריות

לטמפרטורה יש השפעה משמעותית על תגובת הסוללה של מנורות סולריות. סוללות ליתיום-יון סובלות מהתדרדרות מאיצה של מחזורי הטעינה והפריקה בטמפרטורות סביבתיות גבוהות מ-25° צלזיוס (77° פרנהייט). לדוגמה, אובדן הקיבולת לאחר 200 מחזורים עולה מ-3.3% ב-25° צלזיוס ל-6.7% ב-45° צלזיוס (113° פרנהייט) כתוצאה מהצטברות של שכבת פנים מוצקה-אלקטרוליטית (SEI). במקרה של סוללות עופרת-חמצן, האפקט המדרדר של טמפרטורות נמוכות הוא חמור יותר. בטמפרטורות סביבתיות נמוכות מ-20° צלזיוס (68° פרנהייט), קצב קליטת הטעינה יורד באופן משמעותי, ובטמפרטורה של 20-° צלזיוס (4-° פרנהייט), הקיבולת הזמינה למשימה ירדה ב-50%. לפיכך, בעקבות רגישויות תרמיות הפוכות אלו, סוללות ליתיום-יון הן האופציה הטובה ביותר באקלימים חמים, בעוד שסוללות עופרת-חמצן עם تركיבה מיוחדת נותרות המועדף באקלימים קרים ממושכים.

ההשפעה של ההזדקנות של הסוללה וחיי המחזור על האוטונומיה של מנורות סולריות

כל סוללות נורות סולריות עוברות התיישנות אלקטרו-כימית בלתי הפיכה בכל מחזור טעינה/פריקה. לדוגמה, סוללת ליתיום-יון סטנדרטית שומרת רק על 70–80% מהקיבולת המקורית שלה לאחר 500 מחזורי טעינה מלאה, מה שיכול להוביל לקיצור זמן האירוס ב-1–2 שעות בשנה. קיימים שלושה סיבות עיקריות לאיבוד הקיבולת בסוללות ליתיום-יון:

סוללות ליתיום-יון נמצאות במצב פסיבי נטו של ליתיום במהלך מחזור אחד או יותר

התפרקות האלקטרוליט של הסוללה, אשר מובילה להגבהת התנגדות פנימית של הסוללה

היווצרות מבנים של הפרדה יונית מוצקה

מתח תרמי מאיץ את תהליך ההזדקנות, וכתוצאה ממתח תרמי זה, סוללות בטמפרטורה של 35° צלזיוס (95° פרנהייט) יזדקנו בקצב כפול מזה של סוללות בטמפרטורה של 25° צלזיוס (77° פרנהייט). באקלים חמים עם מחזורים גבוהים, תקופת השימוש היעילה לפני ההחלפה היא בדרך כלל לא עולה על פרק זמן של שנתיים (2); באקלים מתון יותר עם שימוש נמוך יותר, פרק הזמן להחלפה הוא בדרך כלל לא נמוך מארבע שנים (4).

עיצוב מערכת מנורת סולארית: טכנולוגיית הפאנלים, הזווית ובקרת הטעינה

השיפוע והאזימוט האופטימליים של פאנלי מנורת הסולארית לפי קו הרוחב והמטרה

הקרינה הניתנת להגדרה לאיסוף על ידי כל לוח סולרי מותקן תלויה בהכוונה הנכונה שלו. עבור כל לוחות נטיה קבועים וניתנים לסיבוב, הגדרתם לרוחב המיקום פלוס/מינוס 15° תאפשר איסוף האנרגיה המרבית האפשרית מדי שנה. בזווית תלולה יותר בחורף ובזווית שטוחה יותר בקיץ. יש לכוון את הציר האזימוטלי לכיוון דרום אמיתי או צפון אמיתי, בהתאם לחצי הכדור שבו נמצאים. הגובה האנכי של מנורות רחוב מוגבל על ידי הצללים של הבניינים. עם שינויים עונתיים בזווית הנטיה, מנורות גינה או שבילים יכולים להפיק תועלת ממצב הקיץ/חורף של המנורות. כיוון מותאם לפי הרוחב הגאוגרפי יכול לאפשר איסוף אנרגיה של 20% ביום, בהתבסס על מודלים מאומתים, לעומת התקנה שטוחה.

טכנולוגיית הלוחות ויעילות המנורה

פנס סולרי בעיצוב חכם שמאחד תכנון, טכנולוגיית פאנלים ופקדי טעינה. פקדי טעינה מסוג MPPT מتفوقים על כל פקדי טעינה סטנדרטיים בתנאי תאורה משתנים או מופחתים, כגון צללות חלקיות, כיסוי ענני, או אור חלש בבקרים. בזכות היעילות הגבוהה יותר, פקדי טעינה מסוג MPPT יכולים לייצר 25–30% אנרגיה נוספת. פקדי טעינה מסוג MPPT נדרשים כמעט בכל יישומים, כולל מערכות קטנות (<50 וואט). האמינות שלהם גבוהה מספיק כדי להצדיק את העלויות הנוספות של פקדי טעינה מסוג MPPT לעומת פקדי טעינה סטנדרטיים.

רכיבים: פקדי טעינה מסוג PWM, פקדי טעינה מסוג MPPT, פאנלים מונוקריסטליים, פאנלים פוליקריסטליים

יעילות: 70–80%, 92–98%, 22–27% (2025), 15–22% (2025)

עלות: נמוכה יותר ($5–$20), גבוהה יותר ($20–$100), יקרה, זולה יחסית

מתאים ביותר ל: מערכות קטנות (<50 וואט), תנאים של תאורה משתנה, התקנות עם מגבלות מקום, שטחי פאנלים גדולים

היתרון המרכזי: פשטות, גידול של 30% ויותר בקטיף האנרגיה, ביצועים טובים יותר בתאורה נמוכה, עלות נמוכה לוואט

לוחות מונוקריסטליים מצטיינים ביעילות, במיוחד באור חלש, מה שהופך אותם למתאימים במיוחד לפנסי סולאריים בעלי ביצועים גבוהים כאשר יש מגבלה בשטח. עבור יישומים שבהם היעילות המוחלטת איננה העדיפות הראשונה, לוחות פוליקריסטליים מהווים פתרון בעל יעילות עלות ככל שיש שטח זמין.

שאלות נפוצות

מהם הגורמים העיקריים המשפיעים על היעילות של פנס סולארי?

היעילות תלויה בכמות האור השמשי הזמינה, במפריעים בסביבה (כגון צללים וספיחות), ובביצועים התרמיים והסולריים של המערכת. אור שמש ישיר, יישור טוב של הלוחות ומערכת נקיה משפרים את הביצועים.

איך משפיע צליל על הפלט של פנס סולארי?

הפלט של מערכות סולאריות תלוי במידה רבה בכמות האור השמשי הזמינה. אפילו כמות קטנה של צלילים יכולה לצמצם קיצוני את הפלט הכולל.

למה חשוב לנקות באופן קבוע את הלוחות הסולאריים?

באזורים עם כמות גדולה של אבק, לוחות הסולאריים עלולים לה ensוות ולפיכך ירידה משמעותית בפלט האנרגיה שלהם. זה חשוב במיוחד באזורים יבשים ומזוהמים.

מה ההבדל בין בקרי MPPT לבקרי PWM?

בשלטי הבקרה לטעינה מסוג MPPT יש את היכולת לפעול ביעילות מקסימלית על ידי מעקב אחר נקודת ההספק המרבית של הפאנלים הסולריים, בעוד ששלטי הבקרה מסוג PWM הם אופציה זולה יותר למערכות קטנות יותר, אף על פי שיעילותם מושפעת מתנאי תאורה משתנים.

מהי ביצועי הסוללה באורות סולאריים בהשוואה לשינויי הטמפרטורה?

תנאים סביבתיים קיצוניים גורמים להתדרדרות מהירה יותר של סוללות ליתיום-יון בטמפרטורות גבוהות, והאטה בהתדרדרות של סוללות עופרת-חמצן בטמפרטורות נמוכות. לפיכך, טכנולוגיית הסוללות חייבת להתאים לקלימה הספציפית.