EN
Входная мощность от солнечной панели: эффективность, ориентация и освещённость
Влияние эффективности панели, номинальной мощности в ваттах, угла наклона и азимута на ежедневный сбор энергии
Хотя панели большей мощности поглощают больше солнечного света, вероятность того, что они достигнут своего полного потенциала, зависит от их расположения. При установке солнечных панелей на постоянной основе в большинстве регионов Северной Америки их фактическое южное направление (не путать с магнитным югом) и корректировка угла наклона с учётом географического положения позволяют значительно повысить годовой объём вырабатываемой энергии. Также оправданы сезонные корректировки угла наклона панелей: в зимние месяцы, когда солнце находится ниже над горизонтом, увеличение угла наклона панелей способствует сбору большего количества солнечного света; в летние месяцы более низкий угол обеспечивает лучшее поглощение энергии. В таких условиях наиболее эффективными являются монокристаллические кремниевые панели (КПД 22–24 %). Эти панели могут питать уличные фонари, однако время их работы при этом сокращается.
Влияние загрязнения, затенения и сезонного пути Солнца на надёжность зарядки
Экологические условия оказывают измеримое негативное влияние на производительность солнечных панельных систем: деградация происходит по определённым закономерностям и накапливается со временем. Даже частичное затенение солнечных панелей деревьями или зданиями может привести к потерям мощности свыше 50 % из-за последовательного соединения солнечных элементов внутри панелей. Кроме того, солнечные панели быстро загрязняются, а по мере загрязнения их эффективность снижается на 15–25 % каждые три месяца (ежеквартально) в течение трёхмесячного периода. Для решения этой проблемы могут применяться специальные грязеотталкивающие покрытия. Учёт сезонного пути Солнца в течение года добавляет ещё один уровень сложности. По сравнению с летом зимой солнца меньше, а значит, в зимние месяцы доступно меньше солнечной энергии для её преобразования. В этом случае производительность солнечных панелей снижается на 40 %, что приводит к уменьшению количества собираемой солнечной энергии; летом же солнечная энергия более интенсивна, а продолжительность светового дня больше (Солнце находится выше над горизонтом). Кроме того, для обеспечения оптимальной работы солнечных панелей, а также для повышения и гарантии надёжной работы солнечных панелей до минимально допустимого уровня производительности необходимо также обеспечить эффективную и надёжную эксплуатацию солнечных панелей. Системы солнечных панелей обеспечивают работу солнечных фонарей в течение всей ночи.
Система аккумуляторов: ёмкость, химический состав и деградация со временем
Литиевые и свинцово-кислые аккумуляторы: полезная ёмкость, глубина разряда и компромиссы между продолжительностью работы в ночное время
Литиевые аккумуляторы могут обеспечивать полезную ёмкость до 80–90 % от их общей ёмкости, тогда как свинцово-кислые — лишь 50 %. Это означает, что свинцово-кислые аккумуляторы могут разряжаться только до этого предела, в то время как литиевые способны разряжаться значительно глубже. На практике это означает более длительный срок службы и большую продолжительность автономной работы. Например, рассмотрим литиевый аккумулятор ёмкостью 100 А·ч.
Обычно он способен питать светодиодные фонари более 10 часов. Свинцово-кислая аккумуляторная батарея того же размера может питать светодиодные фонари лишь 6–7 часов до необходимости подзарядки. Литиевые аккумуляторы выдерживают большее количество циклов использования, поскольку допускают более глубокий разряд, тогда как со свинцово-кислыми аккумуляторами следует обращаться осторожнее, чтобы предотвратить ускоренную сульфатацию. В результате срок службы свинцово-кислых аккумуляторов оказывается короче; хотя литиевые аккумуляторы изначально стоят дороже, их покупка оправдана за счёт высокой энергоотдачи и продолжительного срока службы. Это особенно актуально для уличных фонарей на солнечных батареях, поскольку они должны функционировать каждую ночь.
Деградация аккумуляторных систем в солнечных уличных фонарях сильно зависит от температуры. В ходе полевых испытаний было показано, что ёмкость аккумулятора может снизиться до 30 % из-за чрезмерной температуры. При прочих равных условиях свинцово-кислые аккумуляторы, как правило, деградируют примерно в два раза быстрее, чем литиевые. Например, после примерно 500 полных циклов заряда и разряда свинцово-кислые аккумуляторы в среднем сохраняют около 60 % первоначальной ёмкости, тогда как литиевые — около 80–85 %. Что это означает? Это означает, что время работы фонарей сокращается. Зимой старые аккумуляторные системы обеспечивают на 20–40 % меньшую продолжительность работы — именно тогда, когда наибольшая продолжительность работы необходима больше всего. При эксплуатации при стабильно повышенных или пониженных температурах вне диапазона от 15 до 35 °C процесс старения ускоряется. Именно поэтому важно выбирать аккумуляторы, специально разработанные для местного климата. Некоторые специализированные литиевые аккумуляторы созданы для более эффективной работы в холодном климате и оправдывают свою стоимость в регионах с суровыми зимними условиями.
Умные контроллеры также способствуют поддержанию аккумуляторов в исправном состоянии и обеспечению длительной работы светильников благодаря встроенным алгоритмам, анализирующим текущий уровень заряда и прогнозируемый остаточный заряд на ближайшие несколько дней с учётом ожидаемых погодных условий, температуры и предыдущих данных об освещённости солнцем. Функция температурной компенсации предотвращает перезаряд или недозаряд аккумуляторов. Адаптивное затемнение снижает яркость светодиодов на 50 % и обеспечивает необходимый уровень безопасности. Контроллеры увеличивают расчётный срок службы литиевых аккумуляторов на 25 % за счёт ограничения заряда до 80 % ёмкости при температуре выше 35 °C и продления цикла зарядки. Сочетание датчиков движения и функции затемнения обеспечивает целевую продолжительность освещения — 8–12 часов в течение всего года — и снижает потребление энергии на 30–50 %.
Датчики движения, временно-зависимое затемнение и передовые светодиоды позволяют снизить энергопотребление солнечных уличных фонарей.
В системах освещения добавление датчиков движения снижает потребление электроэнергии на 40 процентов, поскольку система включает полную мощность и максимальную яркость только тогда, когда кто-либо попадает в зону обнаружения датчика движения. Другой эффективной функцией экономии энергии является временно-зависимое затемнение, при котором система автоматически снижает яркость осветительных приборов в определённые моменты суток. Например, в 00:00 яркость может быть снижена до 30 процентов и автоматически повышена до 70 процентов к 06:00, чтобы обеспечить достаточную видимость для утренних пассажиров. Кроме того, современные светодиоды способны выдавать от 180 до 200 люмен на ватт. Это означает, что светодиоды обладают более высокой энергоэффективностью и потребляют примерно на 50 процентов меньше энергии по сравнению с традиционными источниками света на основе газоразрядных ламп высокого давления (HID) и люминесцентных ламп. Отличная энергоэффективность также поддерживается светильниками, спроектированными для отвода тепла при повышении температуры до 45 °C. Объединяя все вышеперечисленные технологии, интеллектуальные решения и уличные фонари на солнечной энергии демонстрируют надёжную работу в течение пяти последовательных пасмурных дней, обеспечивая сообщества первыми в своём роде автономными системами освещения.
Как география и климат влияют на надежность системы
Работа солнечных уличных фонарей в значительной степени зависит от географического положения. Для литиевых аккумуляторов часть энергии временно теряется при температуре ниже точки замерзания. В жарком климате потери энергии и деградация солнечных панелей происходят быстрее. В прибрежных районах, где присутствует солёный воздух, он может вызывать коррозию электрических компонентов, таких как распределительные коробки и контроллеры. Срок службы таких систем сокращается, если не проводится дополнительное техническое обслуживание. В горах и на крайнем севере зимние месяцы характеризуются более продолжительными периодами темноты и большим накоплением снега, который блокирует солнечный свет и удерживает тепло, способствуя таянию льда и снега. Департамент энергетики США провёл исследования, в которых подчёркивается необходимость разумного планирования с учётом метеорологических явлений, наблюдаемых в населённых пунктах — от тропических штормов и песчаных бурь до циклов замерзания и оттаивания в зимний период. Разумное планирование включает несколько ключевых этапов, среди которых…
Определение литиевых аккумуляторов с низкотемпературным исполнением (до −20 °C) для эксплуатации в арктических зонах.
Определение морских марок нержавеющей стали или алюминиевых сплавов с повышенной коррозионной стойкостью для использования в прибрежных или влажных климатических условиях.
Определение регионов, где можно повысить нормативные значения ветровых нагрузок на конструкции для районов, подверженных циклонам или торнадо.
Определение мест, где для сброса снега могут применяться углы наклона солнечных панелей 45° и более, а также нелипкие гладкие поверхности.
Инженерная адаптация солнечных уличных фонарей под климатические условия позволит снизить сокращение времени автономной работы на 40 % в периоды пиковой зимы и лета на основе данных о работе микросетей от Национальной лаборатории возобновляемой энергии США (NREL).
Вопросы и ответы
Каковы преимущества использования монокристаллических кремниевых панелей?
КПД монокристаллических кремниевых панелей составляет 22–24 %, то есть они эффективно преобразуют попадающий на них солнечный свет в электрическую энергию; благодаря этому солнечные уличные фонари работают дольше.
Как факторы окружающей среды влияют на производительность солнечных панелей?
Экологические факторы, включая загрязнение и затенение, а также сезонные траектории солнца, могут значительно снизить общую эффективность панели. Затенённые участки панели могут снизить выходную мощность более чем на 50 %, тогда как неочищенные панели могут снизить эффективность на 15–25 %.
Почему литиевые аккумуляторы предпочтительнее свинцово-кислых для солнечных уличных фонарей?
Свинцово-кислые аккумуляторы имеют более короткий срок службы и меньшую ёмкость разряда. Таким образом, литиевые аккумуляторы обеспечивают более длительное время работы при более стабильном напряжении, хотя и стоят дороже.
Какова функция интеллектуальных контроллеров в солнечных уличных фонарях?
Интеллектуальные контроллеры увеличивают срок службы аккумуляторов и экономят энергию за счёт мониторинга состояния аккумуляторов и применения адаптивного затемнения для оптимизации освещения.
Как климатические условия влияют на надёжность солнечных уличных фонарей?
Надежность может снижаться из-за экстремальных температур и сложностей, обусловленных побережьем и географическими особенностями. Надежность снижается из-за экстремальных температур. Надежность снижается из-за экстремальных температур.