พลังงานแสงอาทิตย์ในสภาพอากาศหนาวเย็น: การออกแบบระบบหิมะ น้ำแข็ง และอุณหภูมิต่ำ

สภาพอากาศหนาวเย็นถือเป็นความขัดแย้งสำหรับแสงอาทิตย์: ความท้าทาย (หิมะ น้ำแข็ง อุณหภูมิต่ำ) มีจริงแต่สามารถจัดการได้ ในขณะที่ข้อดี (การฉายรังสีสูงจากพื้นผิวหิมะสะท้อนแสง ประสิทธิภาพของแผงที่ยอดเยี่ยมที่อุณหภูมิต่ำ) มักจะถูกมองข้ามไป ระบบที่ออกแบบอย่างถูกต้องสำหรับสภาพอากาศหนาวเย็นสามารถทำงานได้ดีกว่าระบบภูมิอากาศอบอุ่นที่ได้รับการปรับปรุงไม่ดีถึง 10–20% ต่อปี คู่มือนี้ครอบคลุมถึงข้อควรพิจารณาทางวิศวกรรมเฉพาะสำหรับรัสเซีย คาซัคสถาน ยุโรปเหนือ แคนาดา และตลาดที่มีละติจูดสูงที่คล้ายกัน

ข้อได้เปรียบด้านสภาพอากาศหนาวเย็น: อุณหภูมิต่ำและประสิทธิภาพสูง

แผงเซลล์แสงอาทิตย์เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ และเช่นเดียวกับเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ จะทำงานได้ดีกว่าเมื่อเย็น การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิทุกๆ 1°C ที่สูงกว่า 25°C จะลดกำลังไฟฟ้าที่แผงจ่ายออกตามค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ (โดยทั่วไปคือ –0.35% ถึง –0.40%/°C สำหรับแผงโมโนคริสตัลไลน์) ซึ่งทำงานในทางกลับกัน: ที่ –10°C (35°C ต่ำกว่าค่าอ้างอิง STC ที่ 25°C) แผงที่มีพิกัดที่ 400 Wp จะให้พลังงานประมาณ 405–414 Wp ที่อุณหภูมิ –20°C เอาต์พุตจะเพิ่มขึ้นอีก

ในสภาพอากาศร้อน (อุณหภูมิแวดล้อม 40°C อุณหภูมิเซลล์ 65°C) แผงเดียวกันนี้ผลิตพลังงานเพียง 384 Wp ซึ่งสูญเสีย 4% ความแตกต่างสะสมตลอดทั้งปีที่ผลิตมีความสำคัญในตลาดต่างๆ เช่น เอเชียกลาง ซึ่งอุณหภูมิเซลล์ในฤดูร้อนอาจสูงถึง 65–70°C และฤดูหนาวอาจสูงถึง –30°C ชั่วโมงการผลิตที่มากขึ้นจะลดลงในฤดูหนาวเมื่อประสิทธิภาพของแผงสูงสุด

หิมะและการสูญเสียความสกปรก

หิมะบนแผงจะขัดขวางการเกิดอย่างสมบูรณ์ตลอดระยะเวลาที่หิมะปกคลุม ซึ่งแตกต่างจากความสกปรกหรือการแรเงาบางส่วน ซึ่งทำให้เกิดการสูญเสียบางส่วน อย่างไรก็ตาม หิมะที่ตกลงมาจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วหากระบบได้รับการออกแบบอย่างถูกต้อง:

• แผงเอียง ≥ 20° ส่งเสริมการไหลของหิมะตามแรงโน้มถ่วง ที่อุณหภูมิ 30°+ หิมะเล็กน้อยส่วนใหญ่ (≤ 10 ซม.) จะหายไปภายในไม่กี่ชั่วโมงหลังจากที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเล็กน้อย
• อุณหภูมิพื้นผิวแผง จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อดวงอาทิตย์กระทบพื้นที่แผงที่ถูกเปิดใดๆ ทำให้เกิดชั้นที่อบอุ่นซึ่งเร่งการหลุดร่วงแม้ที่อุณหภูมิแวดล้อมอยู่ที่ –5°C
• สะพานหิมะระหว่างแถวแผง — เว้นช่องว่างเพียงพอระหว่างแถวแผง เพื่อไม่ให้หิมะมาเกาะกับแถวโมดูลด้านล่าง

การสูญเสียหิมะประจำปีสำหรับระบบที่ออกแบบอย่างดีในมอสโกหรืออัลมาตี โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 2–5% ของปริมาณหิมะที่เกิดขึ้นต่อปี ไม่ใช่ 20–30% อย่างที่มักกังวล ระบบที่ออกแบบไม่ดี (เอียงต่ำ ระยะห่างระหว่างแถวไม่เพียงพอ) อาจสูญเสียหิมะได้ 10-15% ต่อปี

การออกแบบโหลดหิมะ

โครงสร้างการติดตั้งต้องได้รับการออกแบบให้รองรับปริมาณหิมะในพื้นที่ โดยกำหนดเป็นน้ำหนักของหิมะต่อหน่วยพื้นที่ (kN/m²) สิ่งนี้แตกต่างจากน้ำหนักของหิมะที่อาจสะสมบนแผ่นกระดานเอง - แผ่นกระดานมีหิมะ; โครงสร้างจะรับน้ำหนักของหิมะบนพื้นบวกกับหิมะที่อัดแน่นบริเวณส่วนล่างของอาร์เรย์

โครงสร้างการติดตั้ง Econo Solar ได้รับการออกแบบตามมาตรฐาน EN 1991-1-3 (Eurocode) พร้อมการรับรองเขตหิมะ ของเรา แค็ตตาล็อกการติดตั้ง ระบุปริมาณหิมะที่ได้รับการรับรองสำหรับกลุ่มผลิตภัณฑ์แต่ละตระกูล

สายไฟ DC และแรงดันไฟฟ้าที่อุณหภูมิต่ำ

ที่อุณหภูมิเย็น แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (Voc) จะเพิ่มขึ้น — ซึ่งตรงกันข้ามกับกำลังไฟฟ้าที่ส่งออก สูตรคือ:

Voc(T) = Voc(STC) × [1 + (T − 25) × βVoc]

โดยที่ βVoc โดยทั่วไปคือ +0.25–0.30%/°C สำหรับโมดูลโมโนคริสตัลไลน์ ที่อุณหภูมิ –30°C:

Voc(–30) = Voc(STC) × [1 + (–30 – 25) × 0.003] = Voc(STC) × 1.165

สตริงของโมดูล 30 × 400 Wp ที่ STC Voc = 37.2 V ต่อโมดูลมีสตริง Voc = 1,116 V ที่ STC ที่ –30°C: 1,116 × 1.165 = 1,300 โวลต์. ซึ่งเกินพิกัด 1,000 V ของอินเวอร์เตอร์มาตรฐาน และจะสร้างความเสียหายให้กับอินเวอร์เตอร์

การกำหนดขนาดสตริงสภาพอากาศหนาวเย็นต้องใช้อุณหภูมิขั้นต่ำที่คาดหวังที่ไซต์งาน ไม่ใช่เงื่อนไข STC ซึ่งมักหมายถึงการลดความยาวของสตริง (โมดูลต่อสตริงน้อยลง) เมื่อเปรียบเทียบกับการออกแบบในสภาพอากาศที่อบอุ่น หรือการระบุอินเวอร์เตอร์ 1,500 Vdc ที่มีพื้นที่ว่างของ Voc เพียงพอสำหรับสภาพอากาศหนาวเย็น

กลยุทธ์การป้องกันน้ำแข็งและความร้อน

สำหรับการติดตั้งที่สำคัญ (โรงพยาบาล ศูนย์ข้อมูล การทหาร) ซึ่งแม้แต่การสูญเสียการผลิตที่เกี่ยวข้องกับหิมะชั่วคราวก็เป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้ จึงมีวิธีแก้ปัญหาที่ใช้งานได้จริง:

• โครงแผงทำความร้อนหรือแผ่นทำความร้อนพื้นผิวด้านหลัง — องค์ประกอบที่ให้ความร้อนด้วยไฟฟ้าที่ด้านหลังของโมดูลที่จะละลายหิมะจากด้านล่าง ราคา: ประมาณ $0.05–0.10/Wp เพิ่มเติม ไม่ค่อยมีความสมเหตุสมผลด้านต้นทุนเนื่องจากเหตุผลทางเศรษฐกิจเพียงอย่างเดียว
• โปรโตคอลการแปรงฟันด้วยตนเอง — สำหรับระบบหลังคาขนาดเล็ก การแปรงด้วยมือตามกำหนดเวลาหลังจากหิมะตกหนัก (โดยใช้แปรงโฟมหรือยางเพื่อหลีกเลี่ยงการขีดข่วนที่พื้นผิว) มักจะคุ้มค่ากว่าการทำความร้อนแบบแอคทีฟ
• ระบบทำความสะอาดหุ่นยนต์ — เกิดขึ้นใหม่สำหรับระบบติดตั้งภาคพื้นดินขนาดใหญ่ หุ่นยนต์ทำความสะอาดบางชนิดได้รับการจัดอันดับสำหรับการกำจัดหิมะ นอกเหนือจากการทำความสะอาดฝุ่น/สิ่งสกปรก
• ปรับมุมเอียงให้เหมาะสม — มาตรการป้องกันหิมะที่คุ้มค่าที่สุด การเอียงที่เพิ่มขึ้นจาก 15° เป็น 35° จะช่วยลดเวลาหิมะปกคลุมลง 60–70% และไม่มีค่าใช้จ่ายใดๆ หลังจากการติดตั้งครั้งแรก

ข้อกำหนดการสตาร์ทขณะเครื่องเย็นของอินเวอร์เตอร์

อินเวอร์เตอร์มีพิกัดอุณหภูมิการทำงานขั้นต่ำ โดยทั่วไปคือ –25°C ถึง –40°C สำหรับรุ่นกลางแจ้งระดับยูทิลิตี้ อินเวอร์เตอร์กลางแจ้งของ Sungrow (SG150CX, SG320HX-20) มีพิกัดอุณหภูมิแวดล้อม –25°C โดยไม่มีการให้ความร้อนเพิ่มเติม ที่อุณหภูมิต่ำกว่า จำเป็นต้องมีเครื่องทำความร้อนที่ควบคุมอุณหภูมิในตู้อินเวอร์เตอร์ ซึ่งเป็นมาตรฐานสำหรับการติดตั้งในไซบีเรียหรือพื้นที่ทางตอนเหนือของคาซัคสถาน

โดยทั่วไปการทำความร้อนของตู้จะกินไฟ 50–200 W ต่ออินเวอร์เตอร์ ปริมาณการใช้ปรสิตนี้ควรรวมอยู่ในแบบจำลองทางการเงินของโรงงาน — ที่อุณหภูมิ –30°C เป็นเวลา 3 เดือน/ปี เครื่องทำความร้อนอาจใช้ 100–400 kWh ต่อปีต่ออินเวอร์เตอร์