Ako rozšíriť solárnu technológiu na horúcich miestach

Jedným z hlavných problémov využívania solárnych technológií je ich fungovanie v extrémnych podmienkach, alebo v prípade tohto článku v horúcich oblastiach. Technologická adaptácia na postupné otepľovanie zemského povrchu je kritická, najmä nedávne vlny horúčav pozorované v južnej Európe.

Je dôležité rozptýliť mýty okolo tejto technológie, najmä tie, ktoré pochádzajú zo Spojeného kráľovstva v dvoch letách 2022 a 2023, v ktorých mnohé publikácie a politici špekulovali, že solárna technológia nefunguje dostatočne dobre alebo nevyrába energiu efektívne pri vysokých teplotách.

Telegraph nedávno uviedol: „Solárne panely sa testujú na stupnici 25 °C. Pri každom zvýšení teploty nad túto úroveň sa účinnosť zníži o 0,5 percentuálneho bodu.

Aj keď sa to dá povedať o starších FV moduloch, mnohé novšie verzie nevykazujú taký pokles výkonu. A akýkoľvek pokles účinnosti, ku ktorému dôjde, nezaručuje, že solárna energia bude zosadená z trónu ako osvedčená, efektívna technológia, ktorá môže posunúť energetický prechod a podporiť čisté nulové ciele.

Na podporu tohto argumentu je dôležité poznamenať, koľko slnečnej energie sa vyrába v oblastiach s vyššími priemernými teplotami ako v Spojenom kráľovstve. Austrália zvyšuje svoju kapacitu výroby solárnych fotovoltických zariadení, rovnako ako krajiny v Amerike, na Strednom východe a v Afrike a v mnohých suchých oblastiach. V skutočnosti môže využitie najhorúcejších oblastí pôdy pre veľké solárne farmy prospieť spoločnosti tým, že poskytne priestor na výstavbu solárnych fariem bez zaberania pôdy pre veľkú infraštruktúru.

Ale ako užitočné bolo slnečné svetlo v týchto vysokých nadmorských výškach? Aké sú niektoré z výziev a kľúčových úvah pri vývoji projektov solárnej energie v regiónoch s trvalo vysokými teplotami?

Slovenský Solargis od roku 2010 vyvíja a prevádzkuje softvér a dátové sady, ktoré umožňujú rýchly prístup k historickým, aktuálnym a predpovedným dátam pre ľubovoľné miesto na Zemi. Solarkisov článok na nasledujúcu tému je láskavo poskytnutý Výkon FV technológie.

Ako rozšíriť solárnu technológiu na horúcich miestach

Rastúci potenciál solárnej energie na celom svete je naďalej spochybňovaný neistotou okolo neefektívnosti modulu. Keďže teplotná variabilita je hlavnou výzvou pre investorov a prevádzkovateľov solárnej energie, výskyt extrémneho tepla zmenil rizikový profil solárnej energie. Keďže dopyt po energii sa neustále zvyšuje, na prijímanie rozhodnutí a udržiavanie spoľahlivosti systému sa musia používať spoľahlivé a presné údaje, aby sa overil potenciál fotovoltických technológií, a teda spôsoby, ako zmierniť vplyv tepelných podmienok.

Slnečný výhľad na rok 2023 zatiaľ ukazuje trajektóriu zvyšovania teplôt, pretože v Kanade, Severnej Amerike a Európe sa objavujú vlny horúčav. Počas júna 2023 sme videli, ako Belgicko, Nemecko a Francúzsko stúpli až o 4 °C nad dlhodobý priemer, zatiaľ čo v Kanade a južnej Európe zúrili lesné požiare. Zmena globálnej teploty priniesla do väčšej pozornosti potenciál slnečnej energie a následný vzťah medzi teplom a slnečným žiarením.

Vzťah medzi teplom a slnečným žiarením

Neexistuje dôsledne definovaná korelácia medzi teplom a vysokým slnečným žiarením. Namiesto toho výstup solárnych zdrojov závisí od návrhu projektu na základe geografickej polohy, klímy a topografie. V závislosti od týchto premenných môžu teplejšie podmienky vytvárať rôzne rizikové profily, ktoré zvyšujú neistotu pre investorov a prevádzkovateľov solárnych zariadení.

Napríklad v júni 2023 vyprodukoval suchý a horúci región MENA globálne horizontálne ožiarenie (GHI) až 280 kWh/m2. Vedľajším produktom tohto intenzívneho slnečného žiarenia je teplo, ktoré zvyšuje celkovú teplotu vzduchu. Solárne články sú citlivé na teplotu, čo môže spôsobiť problémy súvisiace s prehrievaním FV komponentov pri vysokých teplotách, čím sa naruší výstup projektu.

V tropickom podnebí slnečné žiarenie zvyšuje teplotu vzduchu a tým aj rýchlosť vyparovania podzemnej vody. V dôsledku toho môže vytvárať rozptýlené oblaky, ktoré zvyšujú variabilitu slnečného žiarenia. Solárne projekty v týchto regiónoch často vyžadujú stratégie na riadenie variability a dodatočného úložiska.

Tieto príklady zachytávajú dva rôzne rizikové profily pre investorov a prevádzkovateľov solárnych zariadení, pokiaľ ide o horúce podmienky, v ktorých sa musia pohybovať. Integrácia tohto pochopenia do fázy návrhu fotovoltického projektu môže pomôcť fotovoltaickým elektrárňam udržať spoľahlivosť systému a vyhnúť sa nákladným prestojom.

Riešenie vplyvu tepelných podmienok na FV techniku

V prípade tradičných kryštalických modulov každý 1 °C nad 25 °C stratí približne 0,4 % účinnosti, čím sa zníži maximálny výstupný výkon FV modulu. Preto čím vyššia teplota, tým menej elektriny sa vyrába.

Priame príčiny: zvýšená degradácia, riziká porúch, znečistenie, erózia, nízky výkon

V horúcom podnebí je fotovoltická technológia vystavená extrémnejším teplotným rozsahom medzi dňom a nocou. Každý materiál má svoj koeficient rozťažnosti a pri väčších teplotných zmenách môže dochádzať k väčším rozmerovým zmenám. Tieto dodatočné pohyby vedú k vyššej rýchlosti mechanickej deformácie, pretože materiál je vystavený väčšiemu namáhaniu.

Navyše náhle zmeny teploty od rána do popoludnia môžu zvýšiť hromadenie ľadu na studených povrchoch. Výsledkom je, že fotovoltaické moduly sú lepkavé a hromadia sa v nich viac prachu, čo spôsobuje, že oceľové časti sú korozívnejšie. Taktiež všetky mokré povrchy, ktoré prídu do kontaktu s elektronickými súčiastkami, s väčšou pravdepodobnosťou zlyhajú kvôli problémom, ako je vyššie riziko skratu.

Tepelné podmienky môžu tiež ovplyvniť výkon meničov. Invertory majú systém ochrany proti teplotnému preťaženiu, pričom ak vnútorná teplota stúpne nad danú úroveň, zvyčajne 40-50°C v závislosti od modelu, menič zníži svoj výkon, aby sa ochránil pred prehriatím. Preto bude celkový očakávaný výkon nižší ako pôvodný návrh.

Nepriame príčiny: povrchové albedo, chladiaci efekt vegetácie

Ako sa mení klíma, nárast tepla zmení krajinu okolo FV elektrárne. To môže ovplyvniť výrobu energie prostredníctvom zmien povrchového albeda, najmä pri bifaciálnych inštaláciách fotovoltických modulov. Zvýšené teplo môže spomaliť rast rastlín, a preto zmeniť rýchlosť difúzneho odrazu slnečného žiarenia zo Zeme späť do vesmíru.

Napríklad zelená tráva má hodnotu difúznej odrazivosti 0,20–0,25, čo znamená, že povrch odráža 20–25 % prijatého žiarenia, zatiaľ čo holá pôda odráža iba 17 %. Okrem toho sa znižuje ochladzovací efekt prostredia v okolí FVE, čím sa ďalej zvyšuje teplota na mieste.

V dôsledku toho môže zmena terénu viesť k generovanému výkonu, ktorý sa výrazne líši od výkonu očakávaného prevádzkovateľmi solárnych projektov. Pri projektovaní fotovoltaického projektu často chýba pochopenie vplyvu tepelných podmienok. Rozdiely medzi projektmi môžu skomplikovať financovanie z dôvodu vysokej neistoty ohľadom budúcej produkcie.

Optimalizácia konštrukcie FV na prispôsobenie sa horúcim podmienkam

Na zmiernenie tohto javu potrebujú prevádzkovatelia solárnych zariadení a investori presné údaje na lepšie rozhodovanie. Pochopenie priestorovej a časovej variability GHI poskytuje potrebný pohľad na vyhodnotenie výkonu daného solárneho projektu. Chýbajú však spoľahlivé a presné údaje zachytávajúce pravdivé znázornenie premenlivosti teplôt.

Používanie presných a zmysluplných údajov je rozhodujúce pre zlepšenie výkonu a odolnosti solárnych projektov v horúcich podmienkach, čo je najdôležitejšie počas počiatočnej fázy návrhu. Prístup k presným historickým teplotám a aktuálnym hodnotám žiarenia je mimoriadne cenný pri analýze trendov a predpovedaní budúcich scenárov. Jeho použitie vo fáze návrhu, vyhodnocovanie výroby energie v spojení s technológiou, je základom osvedčených postupov a inteligentného rozhodovania.

Údaje časových radov – napríklad s rozlíšením 15-minútových intervalov – využívajú vysokofrekvenčný zber na charakterizáciu teplotnej variability a zlepšenie presnosti modelovania. Pre simuláciu a budúce vyhodnotenie môže poskytnúť dramaticky jasnejší obraz o súčasnom a očakávanom správaní FV elektrárne.

Posun nad rámec súborov údajov za typický rok počasia (TMY), ktoré zobrazujú iba dlhodobé ročné priemery, umožňuje prevádzkovateľom solárnych zariadení a investorom monitorovať a analyzovať viaceré parametre s cieľom maximalizovať výkon a výkon ich fotovoltických technológií. Patria sem rýchlosť, smer, vlhkosť a zrážky vetra.

Investori a prevádzkovatelia solárnej energie musia na optimalizáciu svojich projektov používať presné a podrobné údaje. Tým sa zvýši dôvera a posilní sa budúce rozhodovanie s cieľom uvoľniť plný potenciál fotovoltických projektov. Keďže teplotná variabilita je taká častá, pochopenie toho, ako teplejšie podmienky ovplyvnia riadenie solárnej energie, je bezprecedentné.