Солнечная энергия в общественном транспорте

Солнечная энергия в общественном транспорте

Рис. 1: Электропитание голосового маяка OAS 130 B-S для незрячих от солнечной панели.

Рис. 1: Электропитание голосового маяка OAS 130 B-S для незрячих от солнечной панели.

Поскольку сейчас существуют проекты, стремящиеся использовать часто солнечные батареи для питания маркеров и других информационных систем в общественном транспорте, мы решили в этой статье обобщить факты и возможности, касающиеся этого типа источника питания, а также предпосылки к их неисправной работе. Нашей целью не является определение методов расчета и определение размеров устройства, а указать на пригодность/непригодность данного решения. Поэтому представленные здесь расчеты наделены «определенной» свободой, тем не менее, результат соответствует нашему опыту.

В статье указаны свойства падающего солнечного излучения и возможности его реального использования для питания оборудования, и связанное с этим использование аккумуляторов.

Примером типичного применения является автономная работа акустического маяка OAS 130 B-N с питанием от солнечной панели «соответствующего» размера.

Свойства падающей солнечной энергии

Факты о падающей солнечной энергии:

  1. Мощность излучения, направленного на поверхность атмосферы Земли составляет 1360 Вт/м2 для случая поверхности, ориентированной перпендикулярно к направлению излучения.  На основе этих фактов создана карта «Глобального горизонтального излучения» (Автор: SolarGIS © 2011 GeoModel Solar s.r.o., CC BY-SA 3.0, источник: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15360397), показывающая, какое количество энергии поступает в отдельные регионы в течение года.
  2. В целом, только около 17% энергии падающего излучения может быть преобразовано в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических панелей. Эту константу необходимо умножить на падающую энергию солнца.
  3. На падающее излучение влияет загрязнение воздуха, облачность, высота над уровнем моря, утренний туман и наклон панели, и это значительно снижает количество полезной солнечной энергии.

    Рис. 2: Глобальное горизонтальное излучение и падающая энергия по регионам Чешской Республики.

    Рис. 2: Глобальное горизонтальное излучение и падающая энергия по регионам Чешской Республики.

Поскольку в наши цели не входит производить энергию с целью ее продажи, а только касательно обеспечения питания автономного устройства (например, панель остановки), необходимо рассмотреть другие свойства солнечного излучения:

  • Прямое излучение - солнечное излучение, которое не отражается, не поглощается и не переизлучается при прохождении через атмосферу. Потребление энергии происходит в  солнечный день, т.е. тогда можно рассчитывать на полную мощность панели.
  • Рассеянное излучение - Солнечный свет, который отражается от частиц в атмосфере (капли воды, пыль …) и изменяет направление. Длина волны этого излучения остается такой же, как и до отражения. Количество рассеянной радиации зависит от облачности и загрязнения атмосферы. Эти явления, напротив, уменьшают количество прямого излучения и значительно уменьшают генерируемую электрическую энергию.

    Рис. 3: Прямое и рассеянное излучение в условиях Чешской Республики (источник: http://www.isofenenergy.cz/fotovoltaika.aspx).

    Рис. 3: Прямое и рассеянное излучение в условиях Чешской Республики (источник: http://www.isofenenergy.cz/fotovoltaika.aspx).

Данный график показывает нам, каково соотношение солнечных и пасмурных дней в году, и каково соотношение энергии, которая генерируется  в соответствующие дни. Однако, он не сообщает нам о временном распределении в течение месяца, т.е. в каком именно интервале чередуются пасмурные и солнечные дни.

Данный график можно дополнить другим графиком — с количеством солнечных часов в течение месяца (в данном случае в г. Брно):

Рис. 4: Количество солнечных часов в месяц в г. Брно (взято из книги Beranovský, J. a Truxa, J. и др.: Альтернативная энергия для вашего дома).

Рис. 4: Количество солнечных часов в месяц в г. Брно (взято из книги Beranovský, J. a Truxa, J. и др.: Альтернативная энергия для вашего дома).

Из приведенного графика видно, что, например, в декабре в Брно всего 37 часов солнечной погоды, когда имеет место прямое излучение. В результате получают в среднем 5 солнечных дней в декабре, а остальные — пасмурные. Более того, этот график ничего не говорит о распределении солнечных дней, то есть о том, было ли «ясно» 5 дней подряд  (присутствовало все дни прямое солнечное излучение), а затем имели 26 дней «пасмурно» (наличествовало рассеянное излучение), или же эти часы приходились на дни, когда была переменная облачность. Если вернуться к графику 3, то из него видно, что упомянутые приблизительно 5 солнечных дней «давали» приблизительно 25% энергии в месяц.
Последний график, характеризующий солнечный свет, показывает последовательность поступления солнечной энергии в течение дня в разные месяцы года. Отсюда ясно следует, что самый сложный месяц с точки зрения солнечной энергетики – это декабрь, когда максимально возможная поставленная энергия составляет примерно 22% энергии в июне.

Рис. 5: Падающая солнечная энергия в течение дня в разные месяцы года (источник Cihelka, J.: Системы солнечного отопления. Прага: SNTL, 1984. 206 с.)

Рис. 5: Падающая солнечная энергия в течение дня в разные месяцы года (источник Cihelka, J.: Системы солнечного отопления. Прага: SNTL, 1984. 206 с.)

Рис. 5 описывает последовательность поступления суммарной интенсивности солнечного излучения, падающего на горизонтальную поверхность в течение дня при коэффициенте загрязнения атмосферы Z = 3 для области на широте 50°. Отдельные кривые показывают характерный день месяца в ясную и солнечную погоду. Пунктирной линией показан ход интенсивности рассеянного излучения в июне и декабре. Рассеянное излучение в ясную погоду (по определению присутствует всегда), как правило, не превышает значения 100 Вт/м2, что составляет приблизительно от 10% до 15% от общего излучения.

Типичные значения полной интенсивности излучения
Ясное небо 800 — 1000 Вт/м2 составляющая рассеянного 10%
Облачное небо 600 — 900 Вт/м2, составляющая рассеянного до 50%
Туманный осенний день 100 Вт/м2, составляющая рассеянного до 100%
Пасмурный зимний день 50 Вт/м2, составляющая рассеянного до 100%
В среднем за год 600 Вт/м2, составляющая рассеянного до 50-60%

Возможности использования солнечной энергии

Предположим, что устройство, которое станет питаться от солнечной энергии, будет работать круглый год, тогда необходимо сосредоточиться на его питании в декабре, когда меньше всего солнечных дней и самый короткий день, чтобы устройство не вышло из строя. Кроме того, необходимо учитывать максимальную эффективность преобразования солнечного излучения в электроэнергию 17% (другие факторы, такие как  наклон панели, здесь не учитываются для упрощения).

В следующей таблице показаны возможные энергозатраты в разное время дня и для разных типов излучения (прямое и рассеянное) в декабре для панели размером 1 м2:

тип излучения Время суток Энергия всего*)
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
прямое 0 4,25 14,88 25,5 40,38 42,5 38,25 23,38 12,75 1,275 0 180 Вт/ч
рассеянное 0 0,85 2,975 5,1 8,075 8,5 7,65 4,675 2,55 0,255 0 34 Вт/ч

*) это оценка, зависящая от типа панели и ее способности обрабатывать рассеянное излучение.

Таким образом, из таблицы видно, что генерируемая энергия составляет 180 Вт/ч в солнечный декабрьский день, а в пасмурный день – около 34 Вт/ч при размере панели 1м2. Для других размеров потребляемая мощность должна подлежать пересчету.

Иными словами, если солнечная панель имеет размер 1 м2 , то устройство с питанием от солнечной панели может иметь максимальную среднюю потребляемую мощность — 1,4 Вт (в этом случае мы не учитываем потери в преобразователях напряжения, не различаем положение панели (см. Рис.2), а также потери при зарядке аккумуляторов), что являет собой поставляемую солнечную энергию, распределённую на 24 часа. Минимальная емкость аккумулятора должна быть способна накапливать энергию в 26 Вт, а это, например, для аккумулятора на 12 В требует минимальной емкости 2,2 А/ч. В противном случае устройство выйдет из строя из-за недостатка энергии.

Отсюда следует, что солнечная энергия не подходит для постоянного питания светодиодных или ЖК-панелей на остановках, за исключением ЖК-дисплеев на основе электронной бумаги, но и они должны работать в «подходящем» режиме. Все же ее можно использовать, например, для питания приемников команд от незрячих OAS 130 — см. изображение в начале статьи.

Рис. 5: Характеристики разряда аккумулятора 12В/12 А/ч.

Рис. 5: Характеристики разряда аккумулятора 12В/12 А/ч.

Одним из способов уменьшить вышеупомянутый недостаток, является подключение аккумулятора к системе, которая сможет  «покрыть» нехватку поставляемой электроэнергии в пасмурные дни.  К примеру, для обычных свинцово-кислотных батарей необходимо учитывать их жизненный цикл. Исходя из этого, возможно определить его мощность:

  • При разрядке в 100%                    — 250 циклов
  • При разрядке в 80%                      — 350 циклов
  • При разрядке в 50%                      — 550 циклов

Например, при использовании аккумулятора 12 В емкостью 12 А/ч максимальная глубина разрядки составит приблизительно 17%, что обеспечит долгий срок службы.

Пример покрытия нехватки энергии — поскольку мы определили, что в декабре будет один солнечный день на 15 обычных дней (рассеянное излучение), то мы получим энергию:

E= 14*34 + 1*180 = 656 Вт , поставлено за 15 дней,

что позволяет увеличить потребление с 1,4 до 1,8 Вт, при минимальном параметре батареи 44 А/ч. Отсюда следует, что если нам потребуется более длительная эксплуатация оборудования, необходимо в зимние месяцы существенно увеличить емкость аккумуляторов для питания подключенных устройств.

Заключение

Оборудование, работающее на солнечных батареях, пребывающее в режиме непрерывной работы, должно быть реально маломощным, иначе его оператор вынужден будет сталкиваться с отключениями в зимний период.

В качестве источника была также использована и дипломная работа «СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В РАЙОНЕ ФАКУЛЬТЕТА МАШИНОСТРОЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА Г. БРНО» авторства Йозефа Хорвата, научный руководитель доц. Ing. Йозеф Штетина.