Solární energie ve veřejné dopravě

Protože se nyní často objevují projekty, kde je snaha použít pro napájení označníků a jiných informačních systémů ve veřejné dopravě solární panely, rozhodli jsme se v tomto článku shrnout fakta a možnosti o tomto typu napájení zařízení a možnosti jeho selhání. Naším cílem není definovat způsoby výpočtu a dimenzování zařízení, ale poukázat na vhodnost/nevhodnost tohoto řešení. Proto zde uvedené výpočty mají “jistou” volnost. Nicméně výsledek odpovídá našim zkušenostem.

Článek poukazuje na vlastnosti dopadajícího slunečního záření a na možnosti jejího reálného použití pro napájení zařízení a s tím související použití akumulátorů.

Příklad typické aplikace je samostatný provoz akustického majáčku OAS 130 B-N napájeného solárním panelem “příslušné” velikosti.

Aktualizováno dne 16.11.2020.

Vlastnosti dopadající sluneční energie

Skutečnosti o dopadající sluneční energii:

1. Příkon záření dopadajícího na povrch zemské atmosféry činí přibližně 1360 W/m² a to v případě kolmo nastavené plochy oproti záření.  Na základě těchto skutečností vzniká mapa “Globálního horizontálního záření“ (Autor: SolarGIS © 2011 GeoModel Solar s.r.o., CC BY-SA 3.0, zdroj: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15360397), ze které je zřejmé, kolik energie během roku dopadne do jednotlivých oblastí.
2. Celkově se daří přeměnit pomocí fotovoltaických panelů v elektrickou energii jen asi 17 % energie dopadajícího záření. Touto konstantou je třeba vynásobit dopadající energii slunce.
3. Na dopadající záření má vliv znečištění ovzduší, oblačnost, nadmořská výška, ranní mlhy a sklon panelu, které výrazně snižují využitelnou sluneční energii.

Protože není naším cílem vyrábět energii za účelem jejího prodeje, ale za účelem napájení autonomního zařízení (např. zastávkového panelu) je nutno řešit jiné vlastnosti slunečního záření:

• Přímé záření – sluneční záření, které při průchodu atmosférou není odraženo ani pohlceno a znovu vyzářeno. K jeho příkonu dochází za slunečného dne, tj. tehdy je možno počítat s plným výkonem panelu.
• Difuzní záření - Sluneční záření, které se odrazilo od částeček obsažených v atmosféře (vodní kapky, prach…) a změnilo směr. Vlnová délka tohoto záření zůstává stejná jako před odrazem. Množství difuzního záření závisí na oblačnosti a znečištění atmosféry. Tyto jevy naopak zmenšují množství přímého záření a výrazně snižují vytvářenou elektrickou energii.

Tento graf nám v podstatě říká, jaký je poměr slunečních a zatažených dní během roku a jaký poměr energie dodávají. Neříká nám ovšem jeho časovém rozložení během měsíce, tj. v jakém intervalu se střídají zatažené a slunečné dny.

Tento graf lze doplnit dalším grafem a tím je počet slunečních hodin během měsíce (v tomto případě v Brně):

Z tohoto grafu je zřejmé, že např. v prosinci je v Brně pouze 37 hodin slunečních hodin, kdy dopadá přímé záření. Z toho plyne, že v měsíci prosinci je zde průměrně 5 slunečních dnů a zbytek je zataženo. Navíc tento graf nic neříká o rozložení slunečních dnů, tj. zda v měsíci bylo “pěkně” 5 dní (dopadalo přímé záření) po sobě a pak bylo 26 dní “zataženo” (dopadalo difúzní záření) nebo tyto hodiny nastaly ve dnech, kdy bylo polojasno. A pokud se vrátíme ke grafu č. 3, je z něj zřejmé, že těchto cca 5 slunečních dní “dodalo” cca 25% energie za měsíc.
Posledním grafem charakterizujícím sluneční svit je jeho průběh dopadu solární energie během dne v různých měsících roku. Z něj jednoznačně plyne, že nejsložitější měsíc z hlediska solárního napájení je prosinec, kdy maximální možná dodávaná energie dosahuje cca 22% energie z měsíce června.

Obr. č. 5 tak popisuje průběh celkové intenzity slunečního záření na vodorovnou plochu v denní době při součiniteli znečištění atmosféry Z=3 pro oblast zeměpisné šířky 50^O. Jednotlivé křivky znázorňují charakteristický den v měsíci za jasného a slunečného počasí. Čárkovaná čára představuje průběh intenzity difúzního záření v měsíci červen a prosinec. Difúzní záření za jasného počasí (z pohledu definice vzniká vždy) zpravidla nepřekračuje hodnotu 100 W/m², což je asi 10 % až 15 % z celkového záření.

Typické hodnoty intenzit celkového záření
Modré nebe	800 – 1000 W/m2	difúzní podíl 10%
Zamlžené nebe	600 – 900 W/m2	difúzní podíl až 50%
Mlhavý podzimní den	1002	difúzní podíl až 100%
Zamračený zimní den	50 W/m2	difůzní podíl až 100%
Celoroční průměr	600 W/m2	difúzní podíl 50-60%

Možnosti využití sluneční energie

Pokud vyjdeme z předpokladu, že zařízení, které bude napájeno ze sluneční energie, bude pracovat celoročně, je nutno se zaměřit na jeho napájení v měsíci prosinci, kdy je nejméně slunečních dní a nejkratší den tak, aby nedocházelo k jeho selhávání. Dále je třeba vzít v úvahu max. 17% účinnost přeměny slunečního záření na elektrickou energii (další vlivy – např. naklonění panelu – zde nejsou pro zjednodušení brány v úvahu).

V následující tabulce jsou uvedeny možné příkony energie v různé denní době a pro různý typ záření (přímé či difúzní) a to v měsíci prosinci o velikosti panelu  1 m²:

typ záření	Denní hodina											energie celkem*)
	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
přímé	0	4,25	14,88	25,5	40,38	42,5	38,25	23,38	12,75	1,275	0	180Wh
difúzní	0	0,85	2,975	5,1	8,075	8,5	7,65	4,675	2,55	0,255	0	34Wh

*) jedná se o odhad závisející na typu panelů a jejich schopnosti zpracovávat difúzní záření.

Z tabulky je tak zřejmé, že dodaná energie činí v prosinci za slunečního dne 180Wh a za dne, kdy je zataženo cca 34Wh při velikosti panelu 1m². Při jiných velikostech je třeba příkon přepočítat.

Jinými slovy, pokud bude mít solární panel velikost 1 m², pak zařízení napájené ze solárního panelu může mít maximální průměrný příkon – 1,4 W (v tomto případě neuvažujeme ztráty v převodnících napětí, nerozlišujeme polohu panelu (viz. obr. č. 2) a ztráty v nabíjení akumulátorů), což je dodaná sluneční energie rozpočítaná na 24 hodin. Minimální kapacita akumulátoru tak musí být schopna akumulovat energii 26W, což např. u 12V akumulátoru vyžaduje minimální kapacitu 2,2 Ah. V opačném případě k selhání zařízení z důvodu nedostatku energie.

Z toho plyne, že sluneční energie není vhodná pro trvalé napájení LED či LCD panelů na zastávkách s výjimkou LCD založených na e-papíru, ale i ty musí pracovat ve “vhodném” režimu. Lze ji ovšem použít např. pro napájení povelových přijímačů nevidomých OAS 130 – viz. úvodní obrázek.

Možností, jak toto omezit je, mít připojen větší akumulátor do systému, který bude schopen “překrýt” nedostatek dodané energie během zatažený dnů. U např. běžných olověných akumulátorů je třeba vzít v úvahu jeho životní cyklus. Na základě něj by bylo vhodné i stanovit jeho kapacitu:

• Při vybití na 100%                    – 250 cyklů
• Při vybití na 80%                      – 350 cyklů
• Při vybití na 50%                      – 550 cyklů

Např. při použití 12V olověného akumulátoru s kapacitou 12Ah bude maximální hloubka vybití cca 17%, což zajistí dlouhodobou životnost. U olověných akumulátorů je navíc nutno vzít v úvahu pro výpočty řešení i “samovybíjecí proudy”.

Příklad překrytí nedostatku energie – pokud bychom stanovili, že v prosinci bude jeden slunečný den za 15 běžných dnů (difúzní záření), dostaneme energii:

E= 14*34 + 1*180 = 656 W dodaných za 15 dní,

což umožňuje zvýšit spotřebu na 1,8 W z 1,4W, přičemž minimální hodnota akumulátoru je 44 Ah. Z toho plyne, že pokud vyžadujeme větší spotřebu zařízení, je nutno v zimních měsících značně zvýšit kapacitu akumulátorů pro napájení připojených zařízení.

Z pohledu životního cyklu je vhodnější dnes použít lithiové akumulátory s vhodným teplotním rozsahem, např. LiFePo4, které disponují mnohem delším životním cyklem, než klasické olověné akumulátory. Tyto však vyžadují speciální řídicí mechanismus správy těchto akumulátorů. Popis je zde - tzv. batery management system – BMS. Tento systém umožňuje hlídání stavu jednotlivých článků sestaveného akumulátoru.

Závěr

Provozované zařízení napájené ze solárních článků, které musí trvale pracovat, musí být skutečně nízkopříkonové nebo se jeho provozovatel musí spokojit s jeho výpadky v zimním období.

Pro veřejnou dopravu se tak jedná zejména o označníky založené na e-papíru (e-ink, e-paper), kdy takový označník se vyznačuje spotřebou okolo 50-70mW a při vhodné velikosti akumulátorů pak zajišťuje celoroční provoz – viz. popis ELP 19x anebo samostatné LCD K813.3.

Jako zdroj byla taktéž použita bakalářská práce “SOLÁRNÍ ZÁŘENÍ V LOKALITĚ VUT FSI V BRNĚ” Josefa Horváta, vedoucí práce doc. Ing. Josef Štětina.