Saulės energija tampa vis svarbesniu energijos šaltiniu, o saulės elektrinės - populiariu būdu ją išgauti. Efektyvus saulės elektrinės veikimas tiesiogiai priklauso nuo tinkamo jos projektavimo ir įrengimo. Vienas iš svarbiausių aspektų, į kurį būtina atsižvelgti, yra saulės pakilimo kampas virš horizonto, ypač jo įtaka šešėlių susidarymui tarp saulės modulių eilių. Šiame straipsnyje aptarsime, kaip apskaičiuoti saulės pakilimo kampą, kodėl tai svarbu projektuojant saulės elektrines, ir kaip šis kampas veikia elektrinės užimamą plotą bei generuojamos energijos kiekį.
Saulės energijos panaudojimas ir efektyvumas
Šiuo metu Lietuvoje populiarėjant atsinaujinančios energijos gamybai, montuojamas didelis kiekis saulės fotovoltinių elektrinių. Saulės energijai pasisavinti ir ją perdirbti naudojami Saulės elementai.
Saulės elektrinių veikimo principai
Saulės elementų veikimas paremtas puslaidininkiais. Populiariausiai šiuo metu naudojami Saulės elementai gaminami iš silicio, į kurį įterptos priemaišos, kad susidarytų pn sandūra. Elementai yra sujungiami nuosekliai grupėmis. Priklausomai nuo elementų skaičiaus, grupės išėjime gali siekti iki 1000 V. Saulės elektrinėse, kaip ir visose automatizuotose sistemose, naudojami įvairūs valdikliai, inverteriai, automatiniai išjungėjai ir monitoringo sistemos.
Efektyvumo apibrėžimai ir veiksniai
Saulės energija geriausiai panaudojama, kai krentantys spinduliai sudaro statų kampą su plokštuma, tai yra Saulės elementu. Pagrindiniai dydžiai apibūdinantys fotoelementą yra jo efektyvumas η bei fotoelemento elektrinė charakteristika Wp. Efektyvumas nurodo kokią dalį fotoelementas Saulės energijos paverčia į kitos rūšies energiją. Elektrinė charakteristika gaunama esant šviesos intensyvumui 1kW/m² ir 25 °C temperatūrai. Taip pat svarbus yra temperatūros koeficientas, jis parodo kokią temperatūrą pasiekus pradeda mažėti elemento generuojama galia. Viršijus temperatūros ribą elemento galia sumažėja 0,5 %, kiekvienu pasiektu didesniu temperatūros laipsniu.
Viena iš pagrindinių saulės elektrinės elementų yra modulis. Moduliai parenkami rimtų gamintojų, kurie laikosi ES standartų ir gamybos normų. Pagrindiniai keitiklių parametrai, tai darbinių parametrų efektyvumas (apie 98 proc.). Monitoringo sistema fiksuoja saulės parametrus, kas leidžia analizuoti ir priimti sprendimus saulės elektrinės darbo režimo tobulinimui.
Lietuvos klimato ypatumai ir energijos gamyba
Lietuvos klimatas turi savo ypatumų, kurie paveiks jūsų saulės baterijų efektyvumą. Mokslininkų duomenimis 1kW stacionarios saulės elektrinės Lietuvoje pagaminama apie 780-787,5 kWh per metus. Skaičiuojant atsipirkimo kaštus skaičius reikėtų koreliuoti iki pesimistinių 750 kWh per metus, nes prognozuoti kokie bus metai labai sunku, nes nėra ilgalaikių šios srities tyrimų Lietuvoje. Lietuvoje gegužės-rugsėjo laikotarpis duoda apie 70-80% metinės saulės energijos. Žiemos mėnesiais dažni apsiniaukę orai reiškia, kad net optimalus kampas neduos daug energijos. Žiemos mėnesiais saulės elektrinės gamyba Lietuvoje yra minimali - vos 5-8% nuo metinės gamybos. Todėl optimizuoti sistemą žiemos sąlygoms yra ekonomiškai nepagrįsta. Lietuvos klimato duomenys rodo, kad vidutiniškai per metus gauname apie 1000-1100 kWh/m² saulės spinduliuotės.
Saulės padėties danguje supratimas
Saulės energijos sistemos efektyvumas labai priklauso nuo to, kaip tiksliai nustatysime saulės baterijų padėtį. Norint suprasti, kaip apskaičiuoti optimalų saulės baterijų kampą, pirmiausia reikia suvokti, kaip juda saulė danguje.
Saulės pakilimo kampas ir azimutas Lietuvoje
Lietuvoje, esančioje maždaug 54-56 šiaurės platumos laipsnių, saulė vasaros saulėgrįžos metu (birželio 21 d.) pakyla aukščiausiai - apie 58-60 laipsnių virš horizonto. Žiemos saulėgrįžos metu (gruodžio 21 d.) saulė tepasiekia vos 12-14 laipsnių aukštį. Saulės azimutas - tai kryptis, iš kurios šviečia saulė, matuojama nuo šiaurės krypties. Lietuvoje saulė kyla iš rytų-šiaurės rytų vasarą ir iš rytų-pietryčių žiemą. Azimuto kampas apibūdina, kuria kryptimi susiduria saulės baterijos, o 0 laipsnių dažniausiai būna į šiaurę, 90 laipsnių į rytus, 180 laipsnių į pietus ir 270 laipsnių į vakarus.
Optimalaus modulio kampo ir orientacijos nustatymas
Saulės skydelio pakreipimo kampas yra labai svarbus norint užfiksuoti saulės spinduliuotę, pasiekiančią jos paviršių. Pakreipimo kampas parodo, kaip nuožulnios saulės baterijos lyginamos su žeme. Horizontalus skydelis bus pakreiptas 0 laipsnio, tuo tarpu vertikalusis bus pakreiptas 90 laipsnių. Daugelis namų savininkų daro klaidą manydami, kad saulės baterijas pakanka tiesiog nukreipti į pietus ir pamiršti.
Bendrieji principai ir rekomendacijos
Bendras principas sako, kad optimalus saulės baterijų polinkio kampas turėtų būti lygus vietovės geografinei platumai. Lietuvai tai reikštų maždaug 55 laipsnių kampą nuo horizontalios plokštumos. Tačiau daugumoje atvejų tinka 30-40 laipsnių nuolydžio kampai. Praktiniai tyrimai rodo, kad 30-40° kampas dažniausiai užtikrina geriausią energijos išeikvojimą per visus metus. Optimali elektros gamyba atsiranda, kai fotovoltinės plokštės nukreiptos į pietus 35° pasvirimo kampu.
Optimalūs saulės modulių pasvirimo kampai Lietuvoje
| Laikotarpis/situacija | Rekomenduojamas kampas (nuo horizonto) |
|---|---|
| Visus metus (bendras) | 40-50 laipsnių |
| Šiltuoju metų laiku | 30-40 laipsnių |
| Šaltuoju metų laiku | 55-70 laipsnių |
| Optimalus (PV) | 35 laipsniai |
| Vasaros optimizavimas | 25-30 laipsnių |
| Žiemos optimizavimas | Geografinė platuma + 10-15 laipsnių (65-70 laipsnių) |
Orientacijos svarba: pietūs ir nuokrypiai
Idealiausia orientacija Lietuvoje yra tiksliai į pietus (180 laipsnių pagal kompasą). Paprastai tariant, saulės baterijos, nukreiptos tiesiai į rytus arba į vakarus, pagamina apie 20% mažiau elektros energijos nei tuo atveju, jei jos būtų nukreiptos į pietus. Tačiau nukrypimai nuo šios krypties ne visada reiškia didelį energijos praradimą. Rytinė orientacija (pietryčiai, 135-150 laipsnių) gali būti naudinga, jei jūsų energijos poreikiai didžiausi ryte. Vakarinė orientacija (pietvakaris, 210-225 laipsniai) tinka tiems, kurie daugiausiai energijos sunaudoja vakare. Tradiciškai manoma, kad saulės paneliai turi būti orientuoti tiksliai į pietus (180° azimutas). Lietuvoje elektros kaina vakarais dažnai būna aukštesnė nei vidurdienį, ypač žiemos mėnesiais. Nors techniškai įmanoma įrengti saulės baterijas šiaurinėje stogo pusėje, tai nėra pati geriausia vieta saulės energijai gaminti (tiesą sakant, tai pati blogiausia) - tikriausiai turėsite naudoti specialų tvirtinimą, kad plokštės būtų priešingos jūsų šlaitinis stogas, kad būtų galima gaminti elektrą. Tai reiškia, kad jie nebus lygūs jūsų stogui ir vis tiek gamins palyginti mažai elektros energijos.
Sezoninis optimizavimas
Kompromisinis sprendimas būtų naudoti du skirtingus kampus: žiemos kampą 60-65 laipsniai (spalio-kovo mėnesiais) ir vasaros kampą 35-40 laipsnių (balandžio-rugsėjo mėnesiais). Teoriškai, keičiant modulių kampą pagal sezonus, galima padidinti energijos gamybą 8-12 procentų. Tačiau praktikoje sezoniniai koregavimai šlaitiniame stoge yra sudėtingi ir brangūs. Ekonomiškai sezoniniai koregavimai atsipirktų tik labai didelėms elektrinėms (nuo 50 kW), kur papildomi 8-10 procentai reiškia tūkstančius eurų per metus. Jei norite maksimalaus efektyvumo, galite įrengti reguliuojamas saulės baterijų sistemas. Paprasčiausi sprendimai leidžia rankiniu būdu keisti kampą 2-4 kartus per metus. Automatinės sekimo sistemos gali padidinti energijos gamybą 25-35%, bet jos brangios ir reikalauja daugiau priežiūros. Lietuvoje optimaliausias Saulės elementų pasvirimo kampas yra apie 30-38° laipsniai. Šiam laikotarpiui optimalus kampas yra 35-45 laipsniai.
Kompromisinis sprendimas daugumai atvejų
Teoriškai optimalūs kampai ne visada praktiškai įgyvendinami. Daugelis namų savininkų renkasi fiksuotą kompromiso kampą, kuris duoda geriausią rezultatą per visus metus.
Šešėliavimo problema ir jos valdymas
Net idealiai apskaičiuotas kampas ir orientacija neduos laukiamų rezultatų, jei saulės baterijas uždengs šešėliai. Šešėlis ant saulės modulio sumažina jo generuojamą galią, o ilgesnis šešėliavimas gali netgi pažeisti modulį. Šešėliavimas yra daug didesnis priešas nei netobulas kampas. Net vienas užšešėliuotas modulis gali sumažinti visos grandinės našumą 20-30 procentų. Viena didžiausių klaidų, kurias daro saulės elektrinių savininkai, yra šešėlių poveikio neįvertinimas. Lietuvoje ypač problemiški yra žiemos šešėliai, kai saulė yra žemai. Medis ar pastatas, kuris vasarą netrukdo, žiemą gali užgožti pusę elektrinės.
Šešėliavimas ant žemės montuojamose elektrinėse
Didžiausia problema dėl šešėlių susidaro žiemos laikotarpiu, kai saulė pakyla žemiausiai virš horizonto. Įrengiant saulės elektrinę ant žemės dvejomis ar daugiau eilių, itin svarbu užtikrinti, kad eilės viena kitai nesudarytų šešėlio. Todėl, projektuojant saulės elektrinę, būtina apskaičiuoti mažiausią atstumą tarp eilių, kad saulėtos žiemos vidurdienį šešėlis nekristų ant apatinių eilių. Mažiausias atstumas tarp saulės modulių eilių apskaičiuojamas atsižvelgiant į saulės pakilimo kampą gruodžio 22-ąją dieną - žiemos saulėgrįžą, kai saulė yra žemiausiai. Atstumą tarp saulės modulių eilių galima apskaičiuoti naudojant trigonometrines funkcijas, atsižvelgiant į geografinę vietovę ir saulės modulių pasvirimo kampą. Pagal pateiktus duomenis, mažiausias atstumas tarp saulės modulių eilių turėtų būti apie 7,8 metro šiaurinėje Lietuvos dalyje ir apie 6,8 metro šalies pietuose. Šie skaičiavimai užtikrina, kad šešėlio nebus žiemos vidurdienį, t.y., tarp 12 ir 13 valandos. Vis dėlto, net ir apskaičiavus optimalų atstumą tarp eilių, visiškai išvengti šešėlių ant apatinių eilių ryte ir vakare nuo gruodžio pabaigos iki sausio pradžios nepavyks.
Šešėliavimas ant šlaitinių stogų ir jo prevencija
Žiemą, kai saulė žema, šešėlius meta net palyginti žemi objektai. 10 metrų aukščio pastatas gali mesti 40-50 metrų ilgio šešėlį žiemos vidurdienį. Praktinis patarimas: stebėkite savo planuojamą saulės baterijų vietą gruodžio mėnesį nuo 10 iki 14 valandos. Jei šešėlių išvengti neįmanoma, apsvarstykite mikroinverterių arba galios optimizatorių naudojimą.
Saulės elektrinių montavimas: stogo ir žemės sprendimai
Nors techniškai įmanoma įrengti saulės baterijas šiaurinėje stogo pusėje, tai nėra pati geriausia vieta saulės energijai gaminti (tiesą sakant, tai pati blogiausia) - tikriausiai turėsite naudoti specialų tvirtinimą, kad plokštės būtų priešingos jūsų šlaitinis stogas, kad būtų galima gaminti elektrą. Tai reiškia, kad jie nebus lygūs jūsų stogui ir vis tiek gamins palyginti mažai elektros energijos.
Ant šlaitinio stogo montuojamos sistemos
Šlaitinis stogas - tai ne kliūtis saulės elektrinės įrengimui, o puiki galimybė maksimaliai išnaudoti gamtos duotą energiją. Saulės jėgainė, įrengta ant šlaitinio stogo, užims apie 2 kartus mažiau vietos, negu tokios pat galios jėgainė, įrengta ant žemės ar plokščiojo stogo. Tai yra dėl to, kad ant stogo moduliai gali būti išdėstyti tankiau, be didelio šešėliavimo rizikos. Fotovoltinių modulių kampas tiesiogiai paveiks jūsų saulės elektrinės našumą. Kai saulės spinduliai krenta statmenai į saulės baterijos paviršių, energijos gamyba yra maksimali. Netinkamas kampas gali sumažinti elektrinės efektyvumą net 10-20 procentų. Be to, šlaitiniame stoge moduliai natūraliai apsisaugo nuo sniego kaupimosi žiemą. Sniego poveikis taip pat svarbus. Statūs kampai (daugiau nei 60 laipsnių) padeda sniegui nuslysti, bet gali būti neefektyvūs vasarą. Jei jūsų stogo kampas yra 20-25 laipsniai, tai dar visiškai priimtina saulės elektrinei. Stogams su 45-55 laipsnių kampu taip pat nėra jokių kliūčių. Labai statūs stogai (daugiau nei 60 laipsnių) jau reikalauja specialių sprendimų. Šiuolaikinės montavimo sistemos leidžia koreguoti modulių kampą 10-15 laipsnių ribose. Šlaitiniame stoge moduliai paprastai montuojami lygiagrečiai su stogo paviršiumi. Aliuminio montavimo sistemos yra patikimiausias pasirinkimas. Jos atsparios korozijai, lengvos ir užtikrina tvirtą modulių fiksavimą 25-30 metų laikotarpiui. Stogo dangos tipas taip pat svarbus. Čerpių stogams reikia specialių kabliukų, skardos stogams - sandarių sraigtų su guminėmis tarpinėmis. Modulių tarpai turi būti ne mažesni nei 1-2 cm, kad užtikrintų normalų oro cirkuliavimą ir modulių aušinimą. Jei jūsų šlaitinio stogo kampas yra 25-50 laipsnių intervale ir orientacija tarp rytų ir vakarų, drąsiai galite planuoti saulės elektrinės įrengimą.
Ant žemės montuojamos saulės elektrinės
Saulės modulių pasvirimo kampas horizonto atžvilgiu turi didelę įtaką tiek generuojamos energijos kiekiui, tiek reikalingam plotui. Kuo didesnis saulės modulių pasvirimo kampas, tuo daugiau ploto reikia skirti saulės modulių įrengimui, norint išvengti šešėlių. Optimalus saulės modulių pasvirimo kampas priklauso nuo geografinės vietovės ir siekiamų rezultatų. Lietuvoje optimaliu kampu laikomas maždaug 35 laipsnių kampas. Tačiau, įrengiant saulės modulius ant žemės, verta apsvarstyti mažesnį pasvirimo kampą. Sumažinus saulės modulių pasvirimo kampą nuo 35 laipsnių iki 25 laipsnių, metinis pagaminamos energijos kiekis sumažės apie 2%, tačiau žemės ar plokščiojo stogo ploto reikės skirti net apie 20% mažiau. Tai reiškia, kad įrengiant saulės modulius ant žemės, geriau rinktis 20-25 laipsnių, vietoje optimalaus 35 laipsnių kampo. Toks kompromisas leidžia efektyviau išnaudoti turimą plotą, nors ir šiek tiek sumažina energijos gamybą.
Konstrukciniai sprendimai ir montavimo sistemos
Įvadinis 0,4 kV tinklo saulės elektrinės kabelis turi būti suprojektuotas taip, kad turėtų ne didesnį, kaip 1 proc. įtampos kritimą, kitu atveju saulės elektrinės savininkas turi daug didesnius ekonominius nuostolius, nes jis yra gamintojas. Įrenginėjant saulės elektrines, žaibosauga įrenginėjama vadovaujantis EĮĮT, STR 2.01.06:2009 "Statinių apsauga nuo žaibo". Taip pat taikomi standartai: LST EN 62305-1:2011 Apsauga nuo žaibo. 1 dalis. Bendrieji principai, LST EN 62305-2:2010-12 Apsauga nuo žaibo. 2 dalis. Rizikos valdymas, LST EN 62305-3:2010-12 Apsauga nuo žaibo. 3 dalis. Saulės elektrinės sumontuotos ant žemės (10 - 1000 kW ir didesnės) daugiausia randasi lygiose vietovėse, turi labai mažą bendrą varžą, užima didelį plotą (nuo 15 arų iki 10 hektarų ir daugiau), randasi atvirose vietovėse, todėl žaibo pataikymo galimybė į tokias elektrines kelis kartus didesnė, todėl projektuojant tokio tipo saulės elektrines, reikia teisingai įvertinti šias rizikas. Tokio tipo saulės elektrinėms apsaugoti naudojama pasyvinė ir aktyvinė žaibosauga. Įrenginėjant įžeminimo sistemą atsižvelgiama į elektros tinklo sistemą ir įrangos techninius duomenis, informacinių ir ryšių įrangos gamintojų reikalavimus, statinių konstrukcines savybes, EĮĮT, statybos techninius reglamentus ir standartus. Didelę teritoriją užimantiems statiniams arba grupei statinių tikslingiau naudoti horizontalius įžemiklius apjungiant juos į vieną bendrą kontūrą, taip užtikrinama gera varža, visais metų laikais. Apsauga nuo viršįtampių labai aktuali saulės elektrinės brangios įrangos apsaugojimui, informacijos išsaugojimui, reikalingam stabiliam elektros tiekimui užtikrinti ir t.t. Kiekvienas apsaugos nuo viršįtampių projektas reikalauja kruopščios situacijos analizės. Paruošiami dokumentai valstybinei energetikos inspekcijai (VEI) plėtros leidimo gavimui. Projektuojamas ir suderinamas techninis elektrinės projektas, visas, su prijungimo prie ESO dalimi. Įrengiama elektrinė. Priduodama valstybinei energetikos inspekcijai (VEI). Sutartis su ESO.
Praktiniai patarimai ir ateities perspektyvos
Optimalus saulės baterijų kampas ir orientacija - tai tik dalis sėkmės formulės. Pirmiausia, įvertinkite savo energijos poreikių profilį. Investicija į saulės elektrinę priklauso nuo jos dydžio (kW), pasirinktų konstrukcijų, modulių, inverterių ir kitos įrangos tipo, techninių ir kokybės parametrų. Didžiausią saulės elektrinės kainą sudaro moduliai ir inverteriai.
Individualizuoti poreikiai ir energijos kaupimas
Jei daugiausiai energijos sunaudojate žiemą šildymui, orientuokitės į žiemos optimizavimą net už metinio optimumo sąskaitos. Energijos kaupimo sistemos keičia optimizavimo logiką. Su baterijomis galite kaupti energiją optimaliomis valandomis ir naudoti tada, kai reikia. Hibridinės sistemos, derinančios skirtingas orientacijas, gali būti labai efektyvios. Pavyzdžiui, dalis modulių orientuota į rytus maksimaliai energijai ryte, dalis į pietus vidurdienio energijai, dalis į vakarus vakarinei energijai. Praktikoje daugumai Lietuvos namų ūkių optimalus sprendimas yra 30-40° kampas su orientacija 180-200° (pietūs-pietvakariai).
Technologijų įtaka ir ekonominis aspektas
Technologijų plėtra taip pat keičia žaidimo taisykles. Dvipusiai paneliai gali efektyviai naudoti atspindėtą šviesą nuo sniego ar šviesių paviršių, o tai keičia optimalaus kampo skaičiavimus. Modulių kokybė ir tipas taip pat svarbesni nei kampas. Kokybiški monokristaliai moduliai su gerais žemos šviesos charakteristikomis kompensuos netobulų kampo nuostolius. Inverterio pasirinkimas ir optimizatorių naudojimas gali padidinti elektrinės našumą 5-15 procentų nepriklausomai nuo kampo. Galiausiai, optimalus kampas ir orientacija priklauso ne tik nuo fizikos, bet ir nuo ekonomikos. Tai reiškia, kad ekonomiškai optimalus kampas gali skirtis nuo techniškai optimalaus. Ateities perspektyvos taip pat svarbios. Elektromobilių plėtra keičia energijos vartojimo profilius - daugiau energijos reikės vakarais. Paminėtina, kad per statūs kampai (daugiau nei 70 laipsnių) gali sukelti problemų žiemą, kai ant baterijų kaupiasi sniegas. Svarbu nepamiršti, kad panelių montavimas didesniu nei stogo kampu gali pažeisti stogo sandarumą ir padidinti vėjo apkrovą.
Nuolatinė priežiūra ir stebėsena
Nepamirškite reguliarios priežiūros. Net optimaliai sumontuoti saulės moduliai praras efektyvumą, jei bus nešvarūs ar pažeisti. Saulės energijos sistemos optimizavimas nėra vienkartinis veiksmas, o nuolatinis procesas. Stebėkite sistemos našumą, analizuokite sezonų duomenis, eksperimentuokite su kampais, jei turite tokią galimybę. Šiuolaikinės monitoringo sistemos leidžia tiksliai matuoti, kaip skirtingi kampai ir orientacijos paveiks jūsų energijos derlių. Technologijų dėka galima stebėti jose vykstančius procesus, stebėti kiek energijos pagaminama, kokiu laiku, kiek nuolatinės srovės paverčiama į kintamąją, įtampos ir srovės dydį.