Solární energie ve veřejné dopravě

Solární energie ve veřejné dopravě

Obr. č. 1: Napájení hlasového majáčku OAS 130 B-S pro nevidomé pomocí solárního panelu.

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.

Obr. č. 2: Globálního horizontálního záření a dopadající energie dle oblastí v ČR.

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 zářeníSluneční 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.

Obr. č. 3: Přímé vs difuzní záření v podmínkách ČR (zdroj: http://www.isofenenergy.cz/fotovoltaika.aspx).

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):

Obr. č. 4: Počet slunečních hodin během měsíce v Brně (převzato z knihy Beranovský,J. a Truxa,J. a kol.: Alternativní energie pro váš dům).

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: Dopadající solární energie během dne v různým měsících roku (převzato Cihelka, J.: Sluneční vytápěcí systémy. Praha : SNTL, 1984. 206 s.)

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 50O. 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.

Obr. č. 5: Vybíjecí charakteristika akumulátoru 12V/12Ah.

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
Obr. č. 2:  Typická nízkopříkonová aplikace s e-papírem využívající energie ze solárních panelů

Obr. č. 7: Typická nízkopříkonová aplikace  označníku zastávky s e-papírem využívající energii ze solárního panelu.

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.