Ar saulės energijos kamerų sistemos veikia mažo saulės šviesos regionuose?

Kaip mažai saulės šviesos sąlygos veikia saulės energijos kamerų našumą

Debesuotumas, išsklaidyta šviesa ir sumažėjęs kasdienis energijos pajėgumas

Debesuoti dangūs sumažina saulės baterijų gamybą, nes išsklaido saulės šviesą ir filtruoja dalį UV spindulių. Išsklaidyta šviesa tiesiogiai negamina tiek elektros energijos, kiek saulės šviesa, kai ji tiesiogiai krinta ant saulės baterijų, todėl paprastai energijos gamyba sumažėja 10–25 procentų. Be to, storūs debesys blokuoja banguos ilgius, kuriais fotovoltinės ląstelės veikia geriausiai. Visos šios aplinkybės kartu reiškia, kad kasdien renkamos bendros energijos kiekis žymiai sumažėja, o kartais net krenta žemiau to lygio, kurio reikia saulės energija varomoms kameroms tinkamai veikti. Litio geležies fosfato akumuliatoriai (trumpai – LiFePO4) gana gerai toleruoja gilų iškrovimą, tačiau jei kelias dienas iš eilės išlieka debesuota, vis tiek kyla problema dėl nepakankamo įkrovimo kaupimosi. Kai sistema tiesiog neįkraunama pakankamai, ji pradeda riboti našumo funkcijas – pavyzdžiui, sumažinti vaizdo raišką arba išjungti infraraudonųjų spindulių funkcionalumą – kol galiausiai vėl grįžta pakankamai saulės šviesos.

Žiemos iššūkiai: trumpesnės dienos, žema saulės padėtis ir sniego kliūtys

Žiemos mėnesiai tikrai padaro didelę įtaką energijos sistemoms, nes dienos tampa žymiai trumpesnės, o saulė žengia žemiau dangaus. Paimkime vietą maždaug 45 laipsnių šiaurės platumo – ten gyvenantys žmonės gruodžio mėnesį gauna maždaug dvigubai mažiau dienos šviesos nei birželio mėnesį. Be to, net kai saulės šviesa pasiekia saulės baterijas, ji krinta tokio mažo kampo, kad kiekvienas kvadratinis metras gamina apie trisdešimt procentų mažiau elektros energijos. Taip pat reikia rūpintis ir sniegu. Net pusė colio (apie 1,27 cm) storio sniego sluoksnis gali sumažinti įeinančią šviesą net iki aštuoniasdešimt procentų. Dar blogiau, suspaustas sniegas veikia kaip izoliacinė medžiaga, todėl jis iš esmės prieštarauja bet kokiam naudingumui, kurį galėtų suteikti žemesnės temperatūros. Pažvelkime į Šiaurės vakarų Europą, kur saulės energijos gamyba gruodžio mėnesį nukenčia nuo keturiasdešimt iki penkiasdešimt procentų lyginant su birželio mėnesio rodikliais. Toks nuosmukis reiškia, kad daugumai įrenginių būtinai reikia kažkokios rezervinės energijos tiekimo sistemos, jei norima, kad jie sklandžiai veiktų per tamsųjį sezoną.

Regioniniai realijų aspektai: Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų regionas, Jungtinė Karalystė ir Skandinavija – atvejo tyrimų įžvalgos

Trys aukštosios platumos regionai iliustruoja skirtingus mažos šviesos sąlygomis veikimo modelius:

• Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų regionas : Per metus čia būna 155 debesuoti dienos, todėl saulės kameroms reikia apytikriai 15 % ilgesnio įkrovimo laiko nei numato teoriniai modeliai
• UK: Šio regiono platumos (50–59° šiaurės platumos) sąlygoja ekstremalias žiemos saulės kampines padėtis; pakrantės vietovėse saulės energijos naudojimo efektyvumas yra 17 % didesnis nei vidinėse vietovėse, daugiausia dėl mažesnio šerkšno kaupimosi
• Skandinavija : Polinės naktys reikalauja 4–6 savaičių baterijų atsarginės galios; artimų polių bandymų vietose žiemą naudojami veidrodiniai atspindėjikliai, kad būtų peradresuojama aplinkinė šviesa

Šiose aplinkose būtina naudoti specialiai sukurtą saulės įrangą – įskaitant saulės elementus, kurie turi būti įvertinti kaip veikiantys mažos šviesos sąlygomis su efektyvumu virš 23 %, taip pat hidrofobines ir sniegą nuverčiančias dangas. Lauko duomenys rodo, kad baterijų tarnavimo trukmė padidėja 30 %, kai žiemos metu iškrovimo lygis neleidžiamas nukristi žemiau 20 % įkrovos būsenos.

Baterijų technologija ir energijos atsarga: saulės kamerų patikimumo užtikrinimas

LiFePO4 prieš litio jonų baterijas: iškrovimas šaltuoju oru, ciklų gyvenimo trukmė ir stabilumas

Kai reikia, kad saulės energijos veikiami kameros veiktų patikimai net tada, kai saulės šviesos trūksta, LiFePO4 akumuliatoriai šiuo metu tapo beveik vieninteliu pasirinkimu. Įprasti litio jonų elementai praranda apie pusę savo talpos, kai temperatūra nukrenta iki minus 20 °C, o LiFePO4 akumuliatoriai tokiomis šaltomis sąlygomis išlaiko apie 80 % savo energijos. Kitas svarbus privalumas – ilgesnis tarnavimo laikas: šie akumuliatoriai paprastai išlaiko 2000–5000 įkrovos ciklų, t. y. tarnauja maždaug tris kartus ilgiau nei įprasti litio jonų akumuliatoriai, kurie dažniausiai išlaiko tik 500–1000 ciklų. Be to, jie yra mažiau linkę perkaisti – tai ypač svarbu kameros, kurios visus metus paliekamos lauke be reguliarių patikrinimų.

Daugiadienių veikimo rodikliai tęstinės debesuotos orų sąlygos sąlygomis

Aukštos kokybės saulės energijos veikiamos kameros su LiFePO4 akumuliatoriais gali veikti nuolat 3–5 dienas iš eilės esant ilgalaikėms debesuotoms sąlygoms. Veikimo trukmė priklauso nuo trijų tarpusavyje susijusių veiksnių:

Kai šios sąlygos įtraukiamos į konfigūraciją, saulės energijos kamerų stebėjimas patikimai veikia net ilgais (savaitės trukmės) mažo apšvietimo režimais.

Patvirtintos strategijos, užtikrinančios patikimą saulės energijos kamerų veikimą mažo apšvietimo sąlygomis

Išmanusis energijos valdymas: adaptuojamas judėjimo aptikimas ir kadro dažnio reguliavimas

Intelektualus energijos valdymas padidina veikimo trukmę, neprarandant saugumo. Neveikiant laikotarpiu kadro dažnis sumažėja iki 1–5 kadro per sekundę – taip sumažinant energijos suvartojimą 30 %, bet išlaikant situacinį suvokimą ( Tvaraus saugumo žurnalas , 2023). Judėjimo aptikimo metu skiriamoji geba pakyla iki 1080p patvirtinimui, o vėliau sistema grįžta į mažosios galios režimą. Šis adaptuotas balansas užtikrina reaktyvumą ir ilgą tarnavimo trukmę.

Saulės baterijų plokščių optimizavimas: pasvirimo kampas, orientacija bei antneigiamosios nuo sniego/nuo dulkių dangos

Strateginis plokščių išdėstymas žymiai pagerina žiemos laikotarpio našumą:

• Pasvirimo kampas ir orientacija : Šiaurės pusrutulyje į pietus nukreiptas 30°–45° kampas padidina žiemos laikotarpio energijos surinkimą 25 %
• Specializuotos dangos : Vandeniui atsparios paviršiaus dangos sumažina sniego kaupimąsi 70 %; nanotekstūruotos dengiamosios medžiagos atstumia dulkes ir purvinumą ( Saulės energijos medžiagos , 2022)

Lauko bandymai Ramiojo vandenyno šiaurės vakaruose patvirtina, kad šie optimizavimai padidina kasdienį įkrovimą 40 % palyginti su plokščiomis, neapdorotomis įrengimo schemomis.

Hibridinės įkrovos parinktys: USB-C, maitinimas per Ethernetą (PoE) ir išoriniai akumuliatorių rinkiniai

Daugybiniai maitinimo šaltiniai pašalina vieno taško verslo nutraukimą ilgalaikėmis mažos šviesos sąlygomis:

• USB-C ir maitinimas per Ethernetą (PoE) užtikrina avarinį įkrovimą nepriklausomai nuo saulės energijos įvesties
• LiFePO4 plėtimo rinkiniai padidina bendrą veikimo laiką iki 14 ar daugiau dienų ir išlaiko 80 % talpos po 2000 ciklų – net esant –20 °C temperatūrai („Battery University“, 2023)

Šis hibridinis požiūris ypač svarbus Skandinavijoje, kur daugiau nei 200 debesų dienų per metus daro vien tik saulės energijos naudojimą netinkamu be rezervinės sistemos.

DUK

Kaip debesų oras veikia saulės energijos kamerų veikimą?

Debesuota orlaika išsklaido saulės šviesą ir sumažina saulės baterijų veiksmingumą, dėl ko jų energijos gamyba paprastai sumažėja 10–25 procentų lyginant su saulėta orlaika. Tai gali riboti energijos kiekį, kuris yra prieinamas saulės energija varomoms kameroms, taip paveikdama jų veikimą.

Kuri baterija geriau tinka saulės energija varomoms kameroms šaltomis sąlygomis – LiFePO4 arba litio jonų?

LiFePO4 baterijos geriau tinka saulės energija varomoms kameroms šaltomis sąlygomis, nes jos išlaiko apie 80 % savo talpos esant šalčiui, tuo tarpu tradicinės litio jonų baterijos praranda maždaug pusę savo talpos.

Kokios yra geriausios praktikos saulės baterijų naudojimui žiemą?

Norint pasiekti optimalų žiemos našumą, Šiaurės pusrutulyje saulės baterijas reikėtų nukreipti į pietus ir nuolydžiuoti 30°–45° kampu, o taip pat galima naudoti specialius hidrofobinius ir nano tekstūruotus dangalus, kad būtų sumažinta sniego ir dulkių kaupimosi tikimybė.