Khí hậu lạnh tạo ra một nghịch lý đối với năng lượng mặt trời: những thách thức (tuyết, băng, nhiệt độ thấp) là có thật nhưng có thể quản lý được, trong khi những lợi thế (bức xạ cao từ bề mặt tuyết phản chiếu, hiệu suất tấm pin tuyệt vời ở nhiệt độ thấp) thường bị đánh giá thấp. Một hệ thống được thiết kế phù hợp với điều kiện khí hậu lạnh có thể hoạt động tốt hơn hệ thống khí hậu ấm áp được tối ưu hóa kém từ 10–20% mỗi năm. Hướng dẫn này đề cập đến những cân nhắc kỹ thuật cụ thể đối với Nga, Kazakhstan, Bắc Âu, Canada và các thị trường có vĩ độ cao tương tự.
Ưu điểm khí hậu lạnh: nhiệt độ thấp và hiệu quả cao
Các tấm pin mặt trời là thiết bị bán dẫn - và giống như tất cả các chất bán dẫn, chúng hoạt động tốt hơn khi ở nhiệt độ lạnh. Mỗi mức tăng 1°C trên 25°C sẽ làm giảm công suất đầu ra của tấm pin theo hệ số nhiệt độ (thường là –0,35% đến –0,40%/°C đối với các tấm đơn tinh thể). Điều này hoạt động ngược lại: ở –10°C (thấp hơn 35°C so với tham chiếu STC 25°C), một tấm pin định mức ở 400 Wp thực sự tạo ra khoảng 405–414 Wp. Ở -20°C, sản lượng tăng thêm.
Ở điều kiện khí hậu nóng (nhiệt độ môi trường xung quanh 40°C, nhiệt độ tế bào 65°C), cùng một tấm pin chỉ tạo ra 384 Wp - giảm 4%. Sự khác biệt tích lũy trong một năm sản xuất là đáng kể ở các thị trường như Trung Á, nơi nhiệt độ mùa hè có thể lên tới 65–70°C và mùa đông có thể lên tới -30°C. Nhiều giờ sản xuất hơn rơi vào mùa lạnh khi hiệu suất của tấm pin đạt cao nhất.
Mất tuyết và bẩn
Tuyết trên các tấm pin ngăn chặn hoàn toàn việc tạo ra điện trong suốt thời gian tuyết phủ - không giống như việc làm bẩn hoặc tạo bóng một phần, gây ra tổn thất một phần. Tuy nhiên, tuyết sẽ rơi nhanh nếu hệ thống được thiết kế chính xác:
- Độ nghiêng của bảng điều khiển ≥ 20° thúc đẩy tuyết rơi bởi trọng lực. Ở nhiệt độ 30°+, hầu hết lượng tuyết rơi nhẹ (< 10 cm) sẽ rơi trong vòng vài giờ khi nhiệt độ tăng nhẹ.
- Nhiệt độ bề mặt bảng điều khiển tăng nhanh khi mặt trời chiếu vào bất kỳ khu vực tấm tiếp xúc nào, tạo ra một lớp ấm giúp tăng tốc độ bong tróc ngay cả ở nhiệt độ môi trường xung quanh -5°C.
- Cầu tuyết giữa các hàng bảng — chừa khoảng trống vừa đủ giữa các hàng bảng để tuyết rơi không dồn vào hàng mô-đun phía dưới.
Lượng tuyết mất hàng năm đối với một hệ thống được thiết kế tốt ở Moscow hoặc Almaty thường là 2–5% lượng tuyết phát sinh hàng năm - chứ không phải 20–30% như người ta thường lo ngại. Một hệ thống được thiết kế kém (độ nghiêng thấp, khoảng cách giữa các hàng không đủ) có thể bị tổn thất 10-15% do tuyết hàng năm.
Thiết kế tải tuyết
Cấu trúc lắp đặt phải được thiết kế phù hợp với tải trọng tuyết của địa điểm, được định nghĩa là trọng lượng của tuyết trên một đơn vị diện tích (kN/m2). Điều này khác với trọng lượng của tuyết có thể tích tụ trên các tấm - các tấm làm tuyết rơi; các cấu trúc chịu sức nặng của tuyết trên mặt đất cộng với bất kỳ tuyết đóng gói nào ở phần dưới của mảng.
| Vùng | Tải trọng tuyết trên mặt đất (điển hình) | Tiêu chuẩn thiết kế |
|---|---|---|
| Moscow / Miền Trung nước Nga | 1,8–3,2 kN/m2 | SP 20.13330 (Nga) |
| Kazakhstan (Almaty) | 1,5–2,5 kN/m2 | SP RK 2.04-10 (Kazakhstan) |
| Scandinavia (Phần Lan, Na Uy) | 2,5–5,5 kN/m2 | EN 1991-1-3 (Mã Châu Âu) |
| Bắc Đức / Ba Lan | 0,5–1,5 kN/m2 | EN 1991-1-3 |
| Canada (Ontario) | 1,8–3,0 kN/m2 | NBC 2020 |
Cấu trúc lắp đặt Econo Solar được thiết kế theo tiêu chuẩn EN 1991-1-3 (Eurocode) với chứng nhận vùng tuyết. của chúng tôi danh mục lắp đặt chỉ định tải trọng tuyết được chứng nhận cho từng dòng sản phẩm.
Hệ thống dây điện và điện áp DC ở nhiệt độ thấp
Ở nhiệt độ lạnh, điện áp mạch hở (Voc) tăng - ngược lại với công suất đầu ra. Công thức là:
Voc(T) = Voc(STC) × [1 + (T − 25) × βVoc]
Trong đó βVoc thường là +0,25–0,30%/°C đối với mô-đun đơn tinh thể. Ở -30°C:
Voc(–30) = Voc(STC) × [1 + (–30 – 25) × 0,003] = Voc(STC) × 1,165
Một chuỗi mô-đun 30 × 400 Wp tại STC Voc = 37,2 V trên mỗi mô-đun có chuỗi Voc = 1.116 V tại STC. Ở –30°C: 1.116 × 1,165 = 1.300V. Điều này vượt quá định mức 1.000 V của bộ biến tần tiêu chuẩn — và sẽ làm hỏng chúng.
Kích thước chuỗi khí hậu lạnh phải sử dụng nhiệt độ dự kiến tối thiểu tại địa điểm chứ không phải điều kiện STC. Điều này thường có nghĩa là giảm độ dài chuỗi (ít mô-đun trên mỗi chuỗi) so với thiết kế có khí hậu ấm áp hoặc chỉ định một biến tần 1.500 Vdc có đủ khoảng trống Voc cho điều kiện lạnh.
Chiến lược chống đóng băng và sưởi ấm
Đối với các cơ sở lắp đặt quan trọng (bệnh viện, trung tâm dữ liệu, quân đội), nơi mà ngay cả việc mất điện tạm thời do tuyết cũng không thể chấp nhận được, thì hiện có các giải pháp tích cực:
- Khung bảng sưởi hoặc thảm sưởi phía sau — các bộ phận làm nóng bằng điện ở phía sau mô-đun làm tan tuyết từ bên dưới. Chi phí: bổ sung khoảng 0,05–0,10 USD/Wp. Hiếm khi chỉ tính toán chi phí dựa trên cơ sở kinh tế.
- Giao thức đánh răng thủ công — đối với các hệ thống mái nhà nhỏ hơn, việc quét dọn thủ công theo lịch trình sau khi tuyết rơi nhiều (sử dụng chổi xốp hoặc cao su để tránh trầy xước bề mặt) thường tiết kiệm chi phí hơn so với sưởi ấm chủ động.
- Hệ thống làm sạch robot - mới xuất hiện đối với các hệ thống gắn trên mặt đất lớn; một số robot làm sạch được đánh giá có khả năng loại bỏ tuyết ngoài khả năng làm sạch bụi/bẩn.
- Góc nghiêng được tối ưu hóa — biện pháp chống tuyết hiệu quả nhất về mặt chi phí. Tăng độ nghiêng từ 15° lên 35° giúp giảm 60–70% thời gian phủ tuyết và không tốn chi phí nào sau khi lắp đặt ban đầu.
Yêu cầu khởi động nguội biến tần
Biến tần có mức nhiệt độ hoạt động tối thiểu, thường là –25°C đến –40°C đối với các mẫu ngoài trời cấp tiện ích. Bộ biến tần ngoài trời Sungrow (SG150CX, SG320HX-20) được định mức ở môi trường xung quanh –25°C mà không cần sưởi ấm bổ sung. Ở nhiệt độ thấp hơn, cần có bộ gia nhiệt được điều khiển bằng nhiệt trong vỏ biến tần - đây là tiêu chuẩn để lắp đặt ở các khu vực phía bắc Siberia hoặc Kazakhstan.
Hệ thống sưởi tủ thường tiêu thụ 50–200 W mỗi biến tần. Mức tiêu thụ ký sinh này nên được đưa vào mô hình tài chính của nhà máy - ở nhiệt độ –30°C trong 3 tháng/năm, các máy sưởi có thể tiêu thụ 100–400 kWh mỗi năm cho mỗi bộ biến tần.