Partnerzy
Merytoryczni

FAIRP_logo IPMA logo PSILTM logo PSML logo Polskie-Stowarzyszenie-Fotowoltaiki_2
Oświetlenie solarne
fot. Ecolight - Elektros taupymo sprendimai Ltd., Tomas Pukas

Oświetlenie solarne – czy w naszym regionie jest możliwe jego efektywne wykorzystanie?

Zapotrzebowanie na uliczne oświetlenie solarne rośnie szybko na całym świecie. Wynika to m.in. z faktu, że jest ono samowystarczalne, a potrzebną moc pobiera z magazynu energii. W obszarach, gdzie zasilanie z sieci nie jest dostępne, takie rozwiązanie stanowi jedyny wartościowy sposób spełnienia potrzeb oświetleniowych.

Ledolux

Schreder_2

Gdzie stosuje się oświetlenie solarne?

Oświetlenie solarne wykorzystywane w lampach ulicznych LED jest uznawane za technologię przyszłości, która łączy korzyści środowiskowe, ekonomiczne, bezpieczeństwo pracy oraz zapewnia możliwość inteligentnego sterowania. Regulacje prawne obowiązujące w Europie, Chinach i Ameryce Północnej wymuszają zmniejszenie śladu węglowego i emisyjnego generowanego przez działalność człowieka. Efektywnym rozwiązaniem jest zastosowanie technologii wykorzystujących energię słoneczną. Sprawdzą się one nie tylko w miejscach, gdzie nie ma dostępu do zasilania z sieci, np. oddalonych od aglomeracji miejskich, ale również w obszarach zurbanizowanych czy przemysłowych, w dużych fabrykach czy terminalach przeładunkowych, czyli wszędzie tam, gdzie oświetlenie solarne pozwoli na zmniejszenie emisji CO2.

Oświetlenie solarne a produkcja energii

Głównym wyzwaniem technologii oświetlenia solarnego jest fakt, że produkcja energii może być bardzo ograniczona na obszarach z mniejszym nasłonecznieniem. Należą do nich północne tereny Ameryki Północnej, Europy czy Azji. Pierwszym nasuwającym się rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie dodatkowych modułów fotowoltaicznych, zwiększenie baterii czy użycie bardziej wydajnych diod LED. Umożliwi to uzyskanie pewnej równowagi, jednak problem może stanowić cena. Koszty doprowadzenia zasilania sieciowego muszą być wyższe niż niezależnego rozwiązania solarnego, aby dać impuls do skutecznej realizacji projektu oświetlenia solarnego. Oczywiście oba warianty należy porównać również pod kątem efektywności energetycznej. Najlepszym rozwiązaniem jest połączenie obu kwestii – sensu ekonomicznego i zrównoważonego rozwoju.

Oświetlenie solarne – głównie przeszkody

Warunki środowiskowe maja ogromny wpływ na oświetlenie solarne i jego efektywność. Poniżej omówiono główne przeszkody, na jakie można się natknąć podczas projektowania tego typu rozwiązań w krajach regionów północnych, takich jak Polska.

Krótkie zimowe dni

W okresie zimowym na północnych obszarach półkuli ziemskiej, w miejscach najbardziej oddalonych od równika, dni są krótsze. Problem ten nie istnieje w krajach południowych, gdzie dzień jest prawie równy nocy. Główną trudnością staje się zatem naładowanie baterii w krótkim czasie, kiedy w dodatku nasłonecznienie nie jest dość duże.

Zachmurzenie

Europa jest bardzo zachmurzonym regionem świata, co sprawia, że ładowanie baterii solarnych jest bardzo niestabilne nawet w okresie letnim. Zimą, krótkie pochmurne dni utrudniają to zadanie jeszcze bardziej, a czasem nawet je uniemożliwiają.

Niska pozycja słońca

Zjawisko występuje obecnie tylko w krajach wysuniętych na północ, gdzie w okresie zimowym słońce znajduje się bliżej horyzontu. Jest to główny powód, dla którego tradycyjne rozwiązania solarne stosowane w krajach południowych, w takich warunkach się sprawdzają – panele fotowoltaiczne są skierowane w kierunku nieba, szukając słońca w pozycji pionowej, podczas gdy jest ono w innej lokalizacji. Jedynym rozwiązaniem dla tradycyjnych płaskich modułów fotowoltaicznych jest comiesięczna zmiana kąta pracy, a to związane jest niestety z dodatkowymi kosztami.

Śnieg i zabrudzenia

Kolejną bardzo ważną przeszkodą, o której dostawcy modułów PV rzadko mówią, jest kwestia ich czyszczenia. Jeżeli mają poprawnie pracować przez cały rok to należy regularnie usuwać z ich powierzchni wszelkie zabrudzenia. W naszym regionie śnieg zwykle pokrywa płaskie powierzchnie paneli zimą, a ptasie odchody i brud są obecne przez cały rok. Wskazane problemy są teoretycznie możliwe do rozwiązania, ale wdrożenie regularnego czyszczenia jest niezwykle kosztowne.

Szeroki zakres temperatur

To także bardzo ważny aspekt, który trzeba wziąć pod uwagę, zwłaszcza jeżeli chodzi o żywotność zastosowanych baterii. Nawet, gdy w okresie letnim nie występują bardzo wysokie temperatury, to problemy z akumulatorami mogą pojawić się zimą. Temperatura w naszym regionie spada nawet do –30°C, a najwydajniejsze rozwiązania litowe (LFP) nie sprawdzają się przy takich wahaniach temperatur. Oczywiście zawsze jest wybór, aby użyć mniej wrażliwych typów baterii, np. żelowych lub niklowo-wodorkowych, ale wtedy pojawia się inny problem, związany z ich wydajnością i żywotnością.

Podsumowanie

Jeśli więc spojrzeć na wszystkie wymienione powyżej przeszkody, większość z inwestorów mogłaby uznać, że nie ma szans na znalezienie racjonalnego rozwiązania. Oświetlenie solarne będzie kosztowne, a dodatkowo należy uwzględnić wydatki na zespół konserwacyjny dbający o sprawne działanie systemu. Jednak na rynku dostępne są technologie, które pozwolą wyeliminować bądź ograniczyć wpływ ww. czynników.

Oświetlenie solarne
fot. Ecolight – Elektros taupymo sprendimai Ltd., Tomas Pukas

Jak skutecznie zoptymalizować oświetlenie solarne?

Wymienione powyżej przeszkody można rozpatrzeć pod innym kątem i skupić się na ich rozwiązaniu z wykorzystaniem najnowszych technologii dostępnych na rynku.

Konstrukcja pionowa

Mówiąc o rozwiązaniu pasującym do naszego regionu, należy zacząć od zaprojektowania odpowiednich modułów fotowoltaicznych. Konstrukcja pionowa jest kluczowym aspektem, ponieważ rozwiązuje problemy związane z pozycją słońca oraz zanieczyszczeniami. Pozwala na bardziej równomierne zbieranie energii słonecznej przez cały dzień. Jest to możliwe nawet wtedy, gdy tylko połowa modułów PV zamontowanych wokół słupa wyłapuje promienie słoneczne. W ten sposób uzyskuje się lepsze właściwości ładowania, ponieważ słońce (szczególnie zimą) nie jest wysoko na niebie, ale znajduje się bliżej horyzontu.

Dodatkowo, pionowa konstrukcja paneli świetnie radzi sobie z zanieczyszczeniami. Śnieg stanowi spory problem, ponieważ zwykle moduły PV są płaskie i montowane poziomo (pod pewnym kątem) w kierunku południowym. Kiedy zaczyna się okres zimowy są one natychmiast pokrywane białym puchem. Zastosowanie konstrukcji pionowej uniemożliwia zbieranie się śniegu i ptasich odpadów oraz znacznie zmniejsza problem osiadania kurzu. Pozwala to wyeliminować potrzebę konserwacji modułów fotowoltaicznych, a tym samym obniżyć koszty związane z utrzymaniem ich w czystości.

Akumulator litowo-tytanowy

Akumulatory litowo-tytanowe (LTO) są obecnie jedynymi urządzeniami na bazie litu, które są w stanie uzyskać do 80% pełnej pojemności w temperaturze –30°C i prawie 99% w 60°C. Rozwiązuje to problem związany z dużymi wahaniami temperatur.

Jest to nowa technologia wynaleziona dopiero w 2008 roku i obecnie jest stosowana w różnych produktach, np. zasilaczach UPS, wózkach widłowych czy stacjach szybkiego ładowania. Inne obszary wykorzystywania baterii LTO obejmują lotnictwo, wojsko, a także systemy magazynowania energii pochodzącej z wiatru i słońca. Wśród innych zalet tej technologii jest długa żywotność – do 10 000 cykli @1C, 80% DOD – co oznacza, że baterie będą poprawnie pracować przez ponad 10 lat. Wadą są z kolei wyższe koszty i niska gęstość energii – znacznie większy rozmiar samego akumulatora niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych LiFePO4.

Ładowarki solarne MPPT

Wszystkie urządzenia stosowane do kontroli ładowania systemów fotowoltaicznych wykorzystują dwie technologie – PWM (modulacja szerokości impulsu) i MPPT (śledzenie maksymalnego punktu mocy). Pierwsza oznacza modulację szerokości impulsu. Działanie urządzeń kontrolujących ładowanie PWM można wytłumaczyć jako przełącznik elektryczny między akumulatorami, który pozwala na ich szybkie włączenie i wyłączenie. Dzięki temu uzyskuje się żądane napięcie do ładowania akumulatorów. Prąd ładowania będzie się powoli zmniejszał w miarę ładowania baterii.

MPPT oznacza śledzenie maksymalnego punktu mocy. To technika obserwowania i regulowania energii przepływającej z panelu słonecznego do akumulatorów. Urządzenie sterowania ładowaniem MPPT może dopasować napięcie modułu PV do napięcia akumulatora, aby zmaksymalizować wydajność ładowania. Zastosowanie tej technologii umożliwia wykorzystanie pełnej mocy modułów fotowoltaicznych, równoważąc napięcie i prąd zgodnie z równaniem P(W) = U (V) x I (A). Przykładowo pozwala zmniejszyć ilość energii pobieranej z paneli, aby chronić napięcie, gdy niebo jest zachmurzone. Przy słonecznej pogodzie można pobierać więcej energii.

Główna różnica między urządzeniami kontrolującymi ładowanie PWM a MPPT to wydajność, która w przypadku drugiego z wymienionych jest o 30% wyższa. Ładowarka solarna MPPT częściowo rozwiązuje przeszkody związane z krótkim okresem nasłonecznienia i wysokim zachmurzeniem, ponieważ pozwala osiągnąć maksymalną wydajność oraz przyspieszyć ładowanie.

Oświetlenie solarne z zaplanowanym strumieniem świetlnym

Planowanie strumienia świetlnego jest prawdopodobnie najważniejszym aspektem, pozwalającym na to, aby w naszym regionie oświetlenie solarne było przez większość czasu efektywne i spełniało swoją rolę. Kilka lat temu takie rozwiązanie było prawie niemożliwe, jednak obecnie dzięki najnowszym technologiom, takim jak NB-IoT, można skutecznie łączyć się z bankami danych w chmurze, śledzić prognozy pogody oraz regulować strumień światła w taki sposób, aby zachować równowagę między wydatkami (strumień świetlny), dochodami (produkcja energii słonecznej) i portfelem (akumulator). Potrzebna jest tylko komunikacja między lampami słonecznymi, a inteligentnym oprogramowaniem w chmurze. Takie narzędzie wraz z wydajną ładowarką MPPT rozwiązuje w bardzo efektywny sposób przeszkody związane z krótkimi dniami w okresie zimowym i zachmurzeniem.

Podsumowanie

Projektując oświetlenie solarne, które ma sprawnie pracować w naszym regionie, należy przeanalizować wiele czynników. Wskazane w pierwszej części przeszkody nie są problemami, z którymi nie można sobie poradzić stosując nowoczesne technologie. Kompleksowe podejście obejmujące odpowiedni projekt, właściwe komponenty i wdrożenie rozwiązań sztucznej inteligencji, pozwoli uzyskać zamierzony efekt.

Obecnie jest to bardzo aktualny temat, ponieważ spełnia założenia Europejskiego Zielonego Ładu, którego celem jest zwiększenie efektywnego wykorzystania zasobów poprzez przejście do czystej gospodarki o obiegu zamkniętym oraz zatrzymanie zmian klimatycznych, odwrócenie utraty różnorodności biologicznej, a także zmniejszenie zanieczyszczenia. Dodatkowym aspektem, który należy rozważyć są rosnące ceny energii elektrycznej oraz malejące koszty samych modułów fotowoltaicznych.

Publikacja artykułu: październik 2022 r.

Ocena:

5/5 - (2 ocen)

MOŻE CI SIĘ SPODOBAĆ

W POZOSTAŁYCH SERWISACH

logo

Serwis branżowy poświęcony zagadnieniom z branży energetycznej, na które składają się m.in. infrastruktura energetyczna, urządzenia i instalacje energetyczne, OZE czy przepisy prawne.