Как известно солнечные электростанции произвели за 2021 год 10 % энергии в Евросоюзе.
Что внушает сторонникам движения FFF некий оптимизм. В связи с чем предлагаю обсудить как этот процент можно увеличить… не без помощи активистов Греты Тунберг.
Это поможет снизить рост эко-тревожности в обществе (если кратко это тревожность вызвана невозможностью возместить весь экологический долг).
Как ни странно, для этого нам не понадобится строить больше новых полей солнечных панелей — надо лишь эффективнее использовать существующие!
Итак, представим что к среднестатистической СЭС приезжает группа активистов.
Что они видят?
Так выглядит большинство СЭС в мире, которые работают на основе фотоэлементов! Огромные поля из солнечных панелей установленных под одним углом по отношению к солнцу.
Именно их нам и предстоит улучшить различными общеизвестными методами.
Метод №1
Начать стоит с простого, а именно чистоты! Очищать следует от пыли, снега и пыльцы растений (последнее самое опасное так как притягивает и буквально «склеивает» пыль на панели) и помета птиц.
Фактически чистота солнечной панели на такого рода станциях это сложная дилемма между кпд/долговечностью панели и затратами на поддержание нормального состояния. Причем часто параметр «долговечность и кпд» проигрывает в борьбе со стоимостью, что делает панели менее экологичными по причине ускоренной деградации и недоиспользованными.
Примерный потенциал чистки — 35 % разницы между чистой и грязной панелью.
В зависимости от расположения СЭС, и доступности ресурсов проблему очистки решают по-разному.
Где-то используют роботов.
А в большинстве случаев — человека с «тряпкой».
Понятие чистоты панели не абстрактно, а выражается вполне конкретными цифрами (о которых будет ниже).
Помимо очищения поверхности процедура мойки спасает батарею от накопления дефектов при неравномерности загрязнения панели.
В условиях частичного затенения другие ячейки не только получают ограничение на уровне тока затененной ячейки, но также имеют тенденцию проталкивать ток через ячейку, заставляя ее нагреваться, поскольку ячейка ведет себя как резистор и рассеивает ток. Это может значительно ускорить старение материалов, окружающих элемент, особенно защитного слоя и заднего листа. Это не только сокращает срок службы панелей, но также может поставить под угрозу безопасность панели и всей установки.
Одно из самых больших заблуждений в области солнечной энергии - это то, что дождь должным образом очистит ваши солнечные панели. В редких случаях дождя может быть достаточно, чтобы в достаточной степени очистить ваши солнечные панели, но это все равно что сказать, что дождь будет правильно очищать вашу машину в течение 20 лет - это довольно редко.
Попутный процесс при мойке, который могут обеспечить эко-пионеры это диагностика состояния батарей.
Сложность процесса сейчас обещают упростить при помощи при помощи квадрокоптеров, но этот процесс не лишен недостатков.
Цена и ограниченность времени диагностики из-за емкости батареи не позволит проводить диагностику долговременно и детально, как это мог бы сделать человек. Имеются и другие недостатки такого подхода.
Смогут ли дети с помощью приборов просветить панель на наличие дефектов? Ведь проблемы с панелями могут привести к производственным потерям до 20%! Вероятно все таки да.
Например, они могут с помощью тепловизоров выявлять «горячие точки» на панелях, что поможет предотвратить потерю энергии на бесполезный нагрев панели, и спасти от снижения производительности и короткого замыкания.
Своевременно заметить при наличии доп. оборудования образование микротрещин, что уберет потери примерно на 2-3%.
Обнаружить образование «следов улитки» (это изменение цвета панели, которое обычно проявляется только через пару лет производства), что спасет от ускоренной внутренней деградации пластин.
Зафиксировать начало ПИД-эффекта (PID означает «потенциально индуцированная деградация»), что поможет не допустить снижения производительности на величину около 10%. А в будущем и своевременно отреагировать на проблему, чтобы уменьшить или даже восстановить пострадавшую панель.
Из самых простых проблем связанных с качеством панели быстрое обнаружение расслоения -внутренней коррозии (ржавчины) поможет вовремя исправить недостатки неправильной установки, и предъявить претензии к производителю из-за плохого качества панели.
Смогут ли начинающие энерго-активисты исправить все проблемы? Полностью конечно нет! Но они точно смогут конкретно указать на те панели, где были обнаружены проблемы, чтобы уже специалист целенаправленно исправил недостаток по имеющейся фото и видеосъемке. Так же более компетентный сотрудник может следить за процессом в онлайн-режиме, давая советы по диагностике волонтерам Греты.
Кто знает? Возможно так будет решен попутно еще и дефицит кадров в отрасли на будущее? Ведь одним из основных препятствий для качественной установки солнечных панелей является нехватка квалифицированных рабочих для выполнения этой работы, а имеющие не только финансовую мотивацию «дети» могли бы вырасти в полноценных ответственных сотрудников в будущем.
Метод №2
После качественной мойки и диагностики панелей СЭС все равно не сможет вырабатывать максимум тока указанного в спецификациях.
Причина этому естественный нагрев панели от солнца, ведь только небольшая часть энергии переходит в электричество, а большая ее часть просто греет панель.
Большинство панелей рассчитаны для работы в температурном режиме от -40°C до +80°C, и чем меньше температура, тем выше уровень преобразования. Стандартной температурой считается +25°C, именно при ней измеряется номинальная мощность. С каждым градусом эффективность теряется или повышается на 0,41%.
Что еще более интересно что согласно исследованиям … вода для мойки так же может нести функцию охлаждения что повышает кпд панелей, что продляет их ресурс.
Достигается это охлаждение разными методами. На выбор есть системы с принудительным охлаждением воздухом или водой, или наоборот пассивные системы на основе радиаторов и тепловых трубок.
Существуют даже специфические технологии повторяющие биологические процессы. Так например исследователи из Политехнического университета Гонконга (PolyU) тестировали специальный удерживающий влагу гель для охлаждения панели, состоящий из смеси углеродных нанотрубок и соли, который впитывает влагу из атмосферы в темное время суток. Днем этот «гель» «потеет» охлаждая панель.
Все эти системы объединяет проблема стоимости и целесообразности использования при долговременном использовании.
Активные системы имеют проблему расхода воды, которую трудно бывает взять в засушливых районах и тем более охладить. А пассивные, как правило, не достаточно эффективны.
Потенциальным решением недостатка воды могут быть системы охлаждения панелей комбинированные с комплексами по сбору, переработке дождевой воды(эта технология может способствовать ежегодному увеличению выработки электроэнергии от 8% до 12%), но это лишь частично решает проблему.
Так какой же вариант стоит выбрать юным экологам? Наиболее простой это «копать, копать, и еще раз копать»!
Зачем?
А вот зачем! Это система направляет тепло от панелей в землю работая как «тепловой насос наоборот (не извлекает тепло из земли, а наоборот добавляет). Ее собрали исследователи из Багдадского университета, Университета Мустансирия, Министерства образования Ирака и Министерства энергетики Ирака обозначив как геотермальную систему в которой используется решение обеспечения теплопередачи для систем охлаждения с замкнутым (а) и разомкнутым (б) контуром.
По задумке авторов (Ахмед Ф. Атван и др.) в системе непрерывно отводится тепло по подземным или погруженным в воду пластиковым трубам. Контейнером для теплоносителя служила прямоугольная рубашка из тонкого слоя оцинкованного железа толщиной 2 мм. Кожух был размещен на задней части солнечного модуля, соединенного со спиральным грунтовым теплообменником, погруженным в колодец на глубине 9 м. Насос перекачивает дистиллированную воду и передает тепло от панели к теплообменнику. Также была оценена система охлаждения с открытым циклом, предназначенная для циркуляции колодезной воды вокруг солнечной панели.
Два варианта геотермального охлаждения были испытаны в полевых условиях с фотоэлектрическими модулями мощностью 175 Вт летом, когда уровни освещенности могут достигать 972 Вт / м2, а рабочая температура панелей находится в диапазоне от 71,667 °C до 91,667 °C . Температура воды на входе в замкнутой системе составляла 26,667 °C, в то время как в системе открытого цикла она составляла 22,778 °C. Потери мощности для панелей, работающих без систем охлаждения, составили около 30% и были снижены до 6% в системе с замкнутым контуром, и до 4,1% с охлаждением с открытым контуром. Несмотря на более высокие начальные затраты, метод открытого цикла считается экономически целесообразным для фотоэлектрических систем в крупном масштабе внедрения.
Проблема лишь в том кто выкопает эти колодцы? Активно настроенные зеленые могли бы взять на себя эту задачу?
Метод №3
Что дальше?
Следует дать детям поиграть с зеркалами! Причем изготовлены они могут быть из различных материалов от пластика-пленки до стекла.
Исследования показали что зеркало установленное возле панели может повысить отдачу в теории на 14% процентов! А в летний сезон и до 20%! А по некоторым исследованиям возможно достижение и 30%.
Если брать пример из уже имеющегося опыта установки зеркал, то есть уже серьезные наработки.
Разработанный plusAmpere GmbH программный комплекс позволяет рассчитать материал отражателя, его площадь и угол наклона для повышения производительности солнечных батарей.
Энерго-активисты при правильном руководстве могли бы сделать систему проще и дешевле за счет ручного изменения угла наклона зеркал и попутного очищения поверхности отражателей? Надо лишь доверить программе руководить процессом!
С учетом решения проблемы охлаждения панели потенциал дополнительной инсоляции можно раскрыть на 100%.
Метод №4
Обеспечив чистоту и повышенный поток фотонов на панели стоит вспомнить о следящих за положением солнца устройствах!
Согласно исследованиям ученых при поддержании правильного угла солнечной панели по отношению к солнцу по азимуту, высоте, в течении светового дня, можно повысить выработку примерно на 40%.
Обычно мастерят системы с приводом от электромотора, но у нас же есть активисты!
Установив на каждую панель механизм поворота с ручным или ножным приводом можно выполнять ту же задачу. Просто строго по времени следует по чуть-чуть поворачивать панель за солнцем. Для правильной работы в дальнейшем возможно разработать специальный алгоритм, который будет следить за точностью и своевременностью поворота панели зелеными волонтерами.
Если немного «заморочиться» возможно создать и «пассивную» систему слежения за солнцем. Вариант сложный, но возможный.
Метод №5
И вот наступает ночь… время отдыха? Нет конечно!
Как известно многие организмы на земле склоны к биолюминесценции!
Например, светлячки могут быть отличным вариантом освещения. В Первую мировую войну с помощью светлячков солдаты читали карты в окопах, за что в 2004 году в Лондоне им был поставлен памятник.
КПД «лампочки» светлячка достигает 98%, притом что обычная лампа накаливания способна превратить в свет только 5% энергии. Свет от 38 жуков может конкурировать с пламенем средней восковой свечи.
Во многих странах люди использовали светлячков как источники света до изобретения Эдисона. Аборигены Центральной и Южной Америки украшали себя и жилища светлячками в дни ритуальных праздников. Индейцы Амазонки привязывали огненных жуков к ногам, надеясь их светом отпугнуть ядовитых змей в джунглях. Португальцы, колонизировавшие Бразилию, клали жуков в лампады возле икон вместо масла. Японские гейши набивали светлячками плетеные сосуды — получались эффектные ночники. Ловля светлячков и любование ими — давнее развлечение японцев.
Сбор и кормление их может обеспечить освещение ночью, если их разместить напротив панелей в банках. Особенно актуально будет разведение насекомых в контексте развития агрофотовольтаики.
Этот же природный свет поможет продолжить мыть панели от грязи и пыли накопившейся за день без затрат электроэнергии.
Возможно ночная мойка будет лучше работать на кпд солнечных панелей, чем утренняя или вечерняя.
Второй не очевидный результат ночных моек панелей будет заключаться в минимизации риска краж солнечных панелей. Эта проблема по словам Франко Фидлера (ген.директора платформы по продажам б/у оборудования для альтернативной энергетики) и дальше будет расти. Так если взять статистику за 2015 год общие потери от краж на СЭС в Германии составили сумму около 500 тыс. Евро!
Конечно можно применять более совершенные методы охраны панелей в виде различных сигнализаций, дополнительных механических креплений и видеонаблюдения, но лучше охранника кроме материально незаинтересованного сотрудника точно не найти!
Потому что четкое понимание юного «защитника климата» того, что есть люди, которые буквально «крадут наше будущее», даст гарантированный результат в виде ответственного отношения к охране на СЭС.
Метод №6
И последний радикальный способ помочь СЭС — разместить их на поезде/корабле, погрузить туда активистов, и отправить их в районы полярного дня родины Греты!
Как мы помним солнечные панели изнашиваются от перегрева быстрее, а значит летом им лучше находится за полярным кругом. Это сократит расходы на воду у оставшихся панелей, и таким образом сбережет их ресурс за счет более активного водного охлаждения.
Тем более работы последователям Греты будет за полярным кругом даже больше чем на родине. Один проект арктической железной дороги чего стоит!
Выбросы от строительной техники вполне можно частично компенсировать за счет чистой энергии для питания электротранспорта.
Процесс погрузки и разгрузки-использования можно будет упростить, если воспользоваться технологией швейцарского стартапа PWRstation.
Переставив снятые солнечные панели в каркасы для складной фотоэлектрической системы EXOrac Tryptic, можно будет поместить батареи в стандартный грузовой контейнер, что обеспечит быстрый запуск в работу всего одним человеком. Системами PWRstation уже пользуются коммерческие компании, например, Schneider Electric, и гуманитарные организации, такие как УВКБ ООН и пуэрто-риканская Iniciativa Comunitaria.
PWRstation намерена выпустить и более крупные решения на базе EXOrac Tryptic. Сейчас компания работает над созданием коммерческого продукта, который будет соответствовать размерам 40-футового контейнера и включать 100 солнечных установок по 3 кВт каждая, их можно будет собирать и раскладывать менее чем за полчаса.
А если заменить летние каникулы гретистам на «полярные каникулы ради будущего» (Polar Holidays for the Future)? Положительный эффект для образования и экологии будет больше «пятниц для будущего»(Friday For the Future)? Тем более, если подражая Грете, юные полярные активисты пустят в свои дома климатических беженцев на время полярной экспедиции?
Как думаете?
Поезд при определенной сноровке активистов на стоянке будет способен обеспечить себя энергией для движения.
Для примера этот австралийский поезд ходит с 2017 года по маршруту протяженностью 3 км. Энергию для питания поезд берет от солнечных панелей на крыше и иногда заряжается от солнечных батарей на крыше депо.
P.S. - Как уже упоминалось в статье про гужевой транспорт 21 века движение за чистый воздух может быть полезным как животным, так и людям! Так почему бы не придать эко-активизму 21 века новое общественно-полезное направление приложения усилий? Тем более что те же животные могли бы помочь юным экологам в мойке и перемещении панелей.
