Smer solárnych panelov podľa PSČ a optimálny uhol pre solárne panely: Kompletný praktický sprievodca

Výšky svetelných stĺpov, typy stĺpikov a orientácia solárnych panelov na prvý pohľad

Svetelné stožiare sa pohybujú od 3 metrov (10 stôp) pre rezidenčné záhrady a chodníky do 40 metrov (130 stôp) alebo viac pre vysoké stožiarové inštalácie na štadiónoch a diaľničných križovatkách. Štandardné stĺpy pouličného osvetlenia majú zvyčajne 8 až 12 metrov (26 až 40 stôp) pre obytné a hlavné cesty, zatiaľ čo stĺpy na parkovanie majú dĺžku 6 až 10 metrov (20 až 33 stôp). Pochopenie správnej výšky pre každú aplikáciu je nevyhnutné pred obstarávaním, pretože výška stĺpa priamo určuje úroveň osvetlenia na zemi, počet požadovaných stĺpov a špecifikáciu základov potrebnú na odolanie zaťaženiu vetrom v danej výške.

Pre solárne stĺpy, ktoré sa montujú a Solárny panel vedľa alebo na vrchole svietidla, optimálny uhol pre solárne panely v kontinentálnych Spojených štátoch sa pohybuje od približne 25 stupňov na Floride (25 až 30 stupňov severnej zemepisnej šírky) do 47 stupňov v Montane a Severnej Dakote (45 až 49 stupňov severnej zemepisnej šírky). Smer je skutočný na juh na severnej pologuli pre inštalácie s pevným sklonom. Pre akékoľvek konkrétne PSČ v Spojených štátoch poskytuje kalkulačka PVWatts National Renewable Energy Laboratory (NREL) presný solárny zdroj a optimálny uhol naklonenia pre dané miesto, čím sa eliminujú dohady zo špecifikácie solárnych panelov na solárnych stĺpoch.

Táto príručka podrobne pokrýva všetky tieto témy: štandardné výšky stĺpov osvetlenia podľa použitia, hlavné typy stĺpov verejného osvetlenia a ich konštrukčné rozdiely, ako solárne stĺpy fungujú ako integrovaný systém, ako určiť správny smer solárnych panelov podľa PSČ a ako vypočítať optimálny uhol pre solárne panely pre maximálny ročný energetický výnos.

Aké vysoké sú svetelné stĺpy: Štandardné výšky podľa aplikácie

Na otázku, aké vysoké sú stĺpy osvetlenia, nie je možné odpovedať jedným číslom, pretože správna montážna výška závisí od aplikácie: cieľová úroveň osvetlenia na zemi, vzdialenosť medzi stĺpmi, šírka osvetľovanej plochy a fotometrické rozloženie svietidla, ktoré sa montuje. Každá kombinácia týchto premenných vytvára jedinečnú optimálnu výšku palice, ktorá vyvažuje pokrytie, rovnomernosť a kontrolu oslnenia.

Osvetlenie obytných ulíc a chodníkov

Pouličné osvetlenie obytných štvrtí využíva najkratšie výšky stĺpov zo všetkých aplikácií na verejných cestách. Štandardné obytné stĺpy verejného osvetlenia v Spojených štátoch a Európe sú zvyčajne 5 až 8 metrov (16 až 26 stôp) vysoký, pričom 6 metrov je najčastejšie špecifikovaná výška pre štandardné obytné ulice so šírkou vozovky 6 až 8 metrov. V tejto výške štandardné cestné LED svietidlo s fotometrickým rozvodom typu II alebo typu III poskytuje dostatočné osvetlenie vozovky a priľahlého chodníka s rozstupmi stĺpov 25 až 35 metrov.

Osvetlenie ciest a chodcov zvyčajne používa ešte kratšie stĺpy 3 až 5 metrov (10 až 16 stôp) , pretože cieľové osvetlenie pre pešie zóny je nižšie ako pre vozovky a pretože nižšie montážne výšky poskytujú intímnejšie vizuálne prostredie v ľudskej mierke vhodné pre parky, námestia a obytné záhrady. Svietidlá na stĺpoch stĺpikov vo výške 0,6 až 1,2 metra definujú najnižší koniec kategórie osvetlenia chodníkov a používajú sa predovšetkým na ohraničenie okrajov, a nie na všeobecné osvetlenie.

Osvetlenie obchodných a dopravných tepien

Komerčné ulice, hlavné cesty a mestské kolektorové ulice vyžadujú vyššie montážne výšky ako obytné ulice, aby sa zabezpečilo dostatočné osvetlenie na širších vozovkách a aby sa zachovali prijateľné pomery rovnomernosti medzi viacerými jazdnými pruhmi. Štandardné montážne výšky pre komerčné osvetlenie ulíc a tepien sú 8 až 12 metrov (26 až 40 stôp) , pričom 10 metrov je najčastejšie špecifikovaná výška pre dvojpruhové tepny so šírkou vozovky 10 až 14 metrov.

Pri rozdelených diaľniciach a dvojprúdových cestách, kde sú stĺpy umiestnené v strede a musia osvetľovať premávku v oboch smeroch z jedného stĺpa, sa štandardná montážna výška zvyšuje na 12 až 14 metrov (40 až 46 stôp) s dvojramennými konfiguráciami držiakov, ktoré rozširujú svietidlá cez každú jazdnú dráhu. Táto konfigurácia znižuje celkový počet stĺpov pre rozdelené cestné úseky približne o 40 % v porovnaní s jednoramennou montážou pri ceste, čím sa výrazne znižujú náklady na inštaláciu.

Osvetlenie parkoviska a areálu

Stĺpy na osvetlenie parkovísk sú zvyčajne 6 až 10 metrov (20 až 33 stôp) vysoké, so špecifickou výškou zvolenou na základe usporiadania parkoviska, požadovanej úrovne osvetlenia (zvyčajne 10 až 50 stôp sviečok v závislosti od bezpečnostných požiadaviek) a fotometrického rozloženia svietidla. Nižšie montážne výšky (6 až 7 metrov) sú bežné v rezidenčných parkoviskách, kde je prioritou dizajnu minimalizácia rozptylu svetla do susedných nehnuteľností. Vyššie montážne výšky (8 až 10 metrov) sa používajú v komerčných a maloobchodných parkoviskách, kde je žiaduca väčšia vzdialenosť medzi stĺpmi, aby sa znížil počet stĺpov a základov vo veľkom pozemku.

Športové osvetlenie a osvetlenie vysokého stožiaru

Osvetľovacie stožiare športových ihrísk pre obecnú rekreáciu a školské zariadenia siahajú od 12 až 20 metrov (40 až 65 stôp) na dosiahnutie montážnych výšok potrebných pre úrovne osvetlenia na ihriskách na profesionálnej úrovni bez nadmerného oslnenia hráčov, ktorí sa pozerajú smerom k svietidlám. Profesionálne športové zariadenia a športové zariadenia na úrovni štadiónov využívajú špecializované vežové konštrukcie 20 až 45 metrov (65 až 150 stôp) v závislosti od športu a požadovanej úrovne osvetlenia (až 2 000 luxov pre televízne pokrytie významných udalostí vo vysielacej kvalite).

Vysoké stožiarové osvetľovacie stožiare pre diaľničné križovatky, prístavné zariadenia, letiskové odbavovacie plochy a veľké priemyselné dvory siahajú od 20 až 40 metrov (65 až 130 stôp) na výšku so zostavami prstencových svietidiel so 6 až 20 svietidlami na stĺp, ktoré spolu osvetľujú plochy s rozlohou až 30 000 metrov štvorcových z jedného stĺpa.

Rýchla referenčná výška svetelnej tyče

Typy svietidiel: Praktická klasifikácia

Typy kandelábrov, ktoré sa dnes používajú, siahajú od tradičných dekoratívnych liatinových dizajnov až po moderné oceľové a hliníkové konštrukcie, z ktorých každá vyhovuje rôznym estetickým, štrukturálnym a funkčným požiadavkám. Pochopenie hlavných typov kandelábrov umožňuje špecifikátorom, obciam a vlastníkom nehnuteľností prispôsobiť typ stĺpa požiadavkám aplikácie namiesto toho, aby sa predvolili na najznámejšiu alebo najlacnejšiu možnosť.

Rovné oceľové alebo hliníkové kužeľové tyče

Štandardným úžitkovým kandelábrom pre väčšinu moderných cestných a parkovacích aplikácií je rovný kónický oceľový alebo hliníkový stĺp. Tieto stožiare sa vyrábajú valcovaním a zváraním oceľového plechu (pre modely z galvanizovanej ocele) alebo vytláčaním hliníkových blokov (pre hliníkové modely) do kužeľového kužeľa, ktorý sa zmenšuje z väčšieho priemeru základne na menší priemer hrotu. Kužeľ zlepšuje štrukturálnu účinnosť koncentráciou materiálu tam, kde je napätie v ohybe najvyššie (na základni) a znižuje materiál, kde je napätie najnižšie (na špičke).

Pozinkované oceľové kužeľové stožiare sú celosvetovo najpoužívanejším typom kandelábrov, pretože poskytujú vynikajúci konštrukčný výkon pri najnižších nákladoch na materiál na meter výšky. Žiarové zinkovanie podľa ASTM A123 poskytuje 85 až 140 mikrónov zinkového povlaku, ktorý chráni základnú oceľ na 20 až 30 rokov vo väčšine atmosférických podmienok predtým, ako bude potrebné prelakovať. Hliníkové kužeľové stožiare stoja približne o 30 % až 50 % viac ako ekvivalentné oceľové stožiare, ale nevyžadujú žiadnu povrchovú úpravu a neobmedzene odolávajú korózii vo všetkých, okrem najagresívnejších priemyselných a námorných prostredí, vďaka čomu sú preferovanou voľbou pre pobrežné inštalácie.

Dekoratívne a kultúrne stĺpy

Dekoratívne kandelábry sa používajú v historických štvrtiach, centrách miest, nákupných uliciach, námestiach, parkoch a pri akejkoľvek inštalácii, kde samotný kandelábr musí prispievať k estetickému charakteru prostredia, a nie byť čisto úžitkovou stavbou. Hlavné materiály používané v dekoratívnych a historických typoch lampových stĺpov sú:

• liatina: Tradičný materiál kandelábrov používaný vo viktoriánskom a edwardiánskom pouličnom osvetlení, ktorý sa stále reprodukuje pre projekty zachovania dedičstva a nové inštalácie vyžadujúce autentický dobový vzhľad. Liatinové stĺpy verejného osvetlenia sú extrémne ťažké (zvyčajne 200 až 600 kg pre štandardný 4-metrový stožiar) a vyžadujú pravidelnú údržbu náteru, aby sa predišlo hrdzi, ale poskytujú vizuálny charakter, ktorý moderné materiály nedokážu napodobniť. Sú odolné voči poškodeniu nárazom, ktorý by prerazil oceľové alebo hliníkové stĺpy.
• Liaty hliník: Moderné dekoratívne lampové stĺpy kopírujú pohľadové profily tradičných liatinových dizajnov z liateho hliníka, ktorý je výrazne ľahší (približne jedna tretina hmotnosti liatiny), odolný voči korózii bez lakovania a dostupný v akejkoľvek farbe práškového laku pre flexibilitu dizajnu. Dekoratívne stĺpy z liateho hliníka sú dominantnou voľbou pre nové dekoratívne inštalácie pouličného osvetlenia, pretože poskytujú dedičnú estetiku s modernými materiálovými vlastnosťami.
• Polymér vystužený sklenenými vláknami (FRP): Dekoratívne lampové stĺpy z FRP sa používajú v pobrežných, chemických závodoch a iných korozívnych prostrediach, kde by aj hliník vyžadoval neprijateľnú údržbu, a v aplikáciách, kde nemožno tolerovať žiadne kovové komponenty. FRP stožiare môžu byť vyrobené v akejkoľvek farbe a povrchovej štruktúre a majú nulové riziko korózie v akomkoľvek atmosférickom prostredí.

Točené betónové stĺpy

Stožiare z točeného betónu sú hlavnou kategóriou typov svietidiel používaných na rozvíjajúcich sa trhoch a v niektorých aplikáciách na diaľniciach s vysokou premávkou na rozvinutých trhoch, kde ich veľmi nízke náklady a nulové nároky na údržbu prevažujú nad nevýhodami vysokej hmotnosti a obmedzenej estetickej flexibility. Predpäté stožiare z zvlákňovaného betónu sa vyrábajú nalievaním betónu do rotačnej valcovej formy, ktorá využíva odstredivú silu na konsolidáciu zmesi okolo jadra z predpätého oceľového drôtu. Výsledná tyč je pevná, odolná a nevyžaduje žiadnu povrchovú údržbu, ale je veľmi ťažká, ťažko sa prepravuje na vzdialené miesta a po výrobe nemôže byť práškovo lakovaná alebo ľahko upravovaná.

Osemhranné a okrúhle oceľové stožiare pre komerčné použitie

Osemhranné rovné oceľové stožiare sú široko špecifikované pre parkoviská, komerčné nehnuteľnosti a zariadenia ľahkého priemyslu, kde je dôležitý priemerný konštrukčný výkon a konkurencieschopné náklady. Osemstranný prierez poskytuje lepšiu odolnosť voči vibráciám spôsobeným vetrom ako kruhové prierezy s ekvivalentnou hrúbkou steny, pretože osemuholníková geometria rozbíja vírenie, ktoré spôsobuje, že kruhové póly oscilujú pri určitých rýchlostiach vetra (fenomén nazývaný Karmanova vírová rezonancia, ktorý spôsobil únavové poruchy v inštaláciách kruhových pólov v oblastiach s vysokým vetrom).

Typy svietidiel: Porovnávacia tabuľka

Solárne stĺpy: Ako funguje integrované solárne osvetlenie

Slnečné póly kombinujte štrukturálnu funkciu konvenčného svetelného stĺpa s integrovaným solárnym panelom, ktorý generuje elektrickú energiu na napájanie svietidla, batériovým systémom, ktorý ukladá energiu zozbieranú počas denného svetla na použitie v noci, a inteligentným ovládačom, ktorý riadi tok energie medzi solárnym panelom, batériou a svietidlom, aby sa maximalizovalo spoľahlivé osvetlenie bez ohľadu na denné kolísanie slnečného žiarenia.

Hlavné komponenty systému solárnych pólov

Každý systém Solar Pole integruje nasledujúce komponenty a špecifikácia každého komponentu určuje spoľahlivosť, autonómiu systému (koľko po sebe nasledujúcich zamračených dní môže fungovať bez dobíjania) a celkové náklady:

• Solárny panel: Fotovoltaický modul, ktorý premieňa slnečné svetlo na jednosmernú elektrickú energiu. Monokryštalické kremíkové panely s účinnosťou 20% až 23% sú štandardnou špecifikáciou pre aplikácie solárnych stĺpov, pretože ich vyššia účinnosť na jednotku plochy umožňuje menšie rozmery panelov pre daný výstupný výkon, čo znižuje zaťaženie stĺpu vetrom a zlepšuje vizuálny pomer solárneho panela k výške stĺpa. Hodnoty výkonu panelov pre solárne stĺpy sa pohybujú od 30 wattov pre malé stĺpy osvetlenia chodníkov až po 400 wattov alebo viac pre vysokovýkonné solárne stĺpy na osvetlenie ciest.
• Skladovací systém batérie: Ukladá elektrickú energiu generovanú solárnym panelom na použitie počas nočných a zamračených období. Lítium-železofosfátové (LiFePO4) batérie sú súčasným štandardom pre aplikácie solárnych pólov, pretože majú dlhú životnosť (2 000 až 4 000 cyklov úplného nabitia a vybitia, čo predstavuje 5 až 11 rokov denného cyklu), tepelnú stabilitu a vysokú hustotu energie. Olovené batérie sa stále používajú v aplikáciách citlivých na náklady, ale vyžadujú častejšiu výmenu (zvyčajne každé 2 až 4 roky) a majú výrazne nižšiu životnosť.
• LED svietidlo: Zariadenie so svetelným výstupom, takmer univerzálne LED v nových inštaláciách solárnych stĺpov, pretože vysoká svetelná účinnosť LED (zvyčajne 130 až 180 lúmenov na watt pre cestné a plošné svietidlá) minimalizuje solárny panel a veľkosť batérie potrebnú pre danú úroveň osvetlenia, čo priamo znižuje kapitálové náklady celého systému solárnych stĺpov.
• Ovládač nabíjania: Elektronické zariadenie, ktoré riadi nabíjanie batérie zo solárneho panela, zabraňuje prebíjaniu a nadmernému vybíjaniu a v moderných systémoch riadi adaptívne stmievanie LED svietidla na základe zostávajúceho stavu nabitia batérie, nočného času a vstupov detekcie pohybu, aby sa maximalizovala autonómia systému počas období zníženého solárneho vstupu.

Výhody solárnych stĺpov oproti osvetleniu pripojenému k sieti

• Nevyžaduje sa žiadne pripojenie k sieti: Solárne stĺpy eliminujú civilné náklady na hĺbenie podzemných elektrických káblov, ktoré zvyčajne predstavujú 40 % až 60 % celkových nákladov na inštaláciu bežného osvetľovacieho systému pripojeného do siete. V prípade inštalácií vo vzdialených lokalitách, pozdĺž nových ciest, kde neexistuje elektrická infraštruktúra, alebo v lokalitách, kde sú náklady na pripojenie do siete obzvlášť vysoké, vďaka eliminácii týchto občianskych nákladov sú solárne stĺpy ekonomicky konkurencieschopné alebo lepšie ako alternatívy pripojené k sieti.
• Nulové priebežné náklady na elektrinu: Po období návratnosti kapitálových nákladov fungujú solárne póly s nulovými nákladmi na elektrickú energiu, pretože solárny panel generuje všetku potrebnú elektrickú energiu z voľného slnečného žiarenia. Pre obce na trhoch s vysokými tarifami za elektrickú energiu predstavuje toto trvalé šetrenie nákladov významnú finančnú výhodu oproti 15 až 25-ročnej životnosti inštalácie solárneho stĺpa.
• Rýchle nasadenie: Inštalácie solárnych stĺpov môžu byť dokončené podstatne rýchlejšie ako ekvivalenty pripojené k sieti, pretože neexistuje žiadna závislosť od dostupnosti elektrickej siete na zabezpečenie pripojenia k sieti. Táto výhoda je obzvlášť významná pre nasadenie núdzového osvetlenia, dočasné osvetlenie udalostí a novú infraštruktúru rozvoja, ktorá musí byť v prevádzke predtým, ako bude zavedená trvalá infraštruktúra elektrickej siete.

Obmedzenia a konštrukčné obmedzenia solárnych pólov

• Solárny zdroj závislý od miesta: Solárne póly poskytujú spoľahlivý výkon na miestach s primeraným slnečným žiarením (ročný maximálny počet hodín slnečného svitu nad 4 hodiny denne), ale ich spoľahlivosť sa stáva problematickou v severných zemepisných šírkach (nad 55 stupňov severnej zemepisnej šírky) počas zimných mesiacov, kedy môže maximálny počet hodín slnečného žiarenia klesnúť pod 1 až 2 hodiny denne počas dlhších období. V týchto lokalitách sú pre spoľahlivú zimnú prevádzku potrebné veľmi veľké solárne panely a batériové systémy, čo výrazne zvyšuje kapitálové náklady a potenciálne robí alternatívy pripojené k sieti ekonomickejšie.
• Citlivosť tieňovania: Solárny panel na solárnom stĺpe je namontovaný v pevnej výške a orientácii a nemožno ho premiestniť, ak miesto po inštalácii zatienia stromy, nové budovy alebo iné konštrukcie. Dokonca aj čiastočné zatienenie solárneho panela môže dramaticky znížiť jeho energetický výstup, pretože väčšina štandardných konfigurácií solárnych panelov používa obtokové diódy, ktoré spôsobujú efektívne odpojenie zatienených článkov, čím sa zníži výkon panelu o viac, ako by naznačoval podiel zatienenej plochy.
• Cena výmeny batérie: Na rozdiel od svietidiel pripojených k sieti, ktoré vyžadujú iba údržbu lampy a ovládača, systémy Solar Pole vyžadujú výmenu batérie každých 5 až 10 rokov v závislosti od chemického zloženia batérie a hĺbky cyklu vybíjania. Tieto náklady na výmenu batérie sa musia zohľadniť pri porovnaní celkových nákladov na životný cyklus medzi solárnymi stĺpmi a alternatívami pripojenými k sieti.

Optimálny uhol pre solárne panely: Fyzika a praktické pravidlá

Optimálny uhol pre solárne panely je uhol sklonu (meraný od horizontály), pri ktorom solárny panel s pevným sklonom zachytí maximálne celkové slnečné žiarenie za celý rok pre danú geografickú polohu. Tento uhol je určený zemepisnou šírkou zariadenia a kolísaním slnečnej deklinácie počas roka.

Prečo Latitude určuje optimálny uhol pre solárne panely

Výška slnka na oblohe počas slnečného poludnia (keď je na oblohe najvyššia a presne na juh na severnej pologuli) sa mení podľa zemepisnej šírky pozorovateľa a podľa ročného obdobia. Na rovníku (zemepisná šírka 0 stupňov) prechádza slnko priamo nad hlavou na slnečné poludnie počas rovnodenností. Na 45 stupňoch severnej zemepisnej šírky (približná zemepisná šírka Minneapolis, Minnesota alebo Miláno, Taliansko) je Slnko 45 stupňov nad obzorom na slnečné poludnie počas rovnodenností a nižšie v zime, vyššie v lete.

Solárny panel s pevným sklonom zachytáva maximum slnečného žiarenia, keď je orientovaný kolmo na slnečné lúče. Keďže priemerný uhol elevácie slnka za rok sa rovná doplnku zemepisnej šírky (90 stupňov mínus zemepisná šírka), optimálny uhol pre solárne panely na danom mieste sa približne rovná miestnemu uhlu zemepisnej šírky. Pri zemepisnej šírke 35 stupňov severnej zemepisnej šírky (približne zemepisná šírka Los Angeles v Kalifornii alebo Tokiu v Japonsku) je optimálny ročný uhol sklonu približne 33 až 37 stupňov. Pri zemepisnej šírke 51 stupňov severnej zemepisnej šírky (približne zemepisná šírka Londýna v Anglicku alebo Calgary v Kanade) je optimálny ročný uhol sklonu približne 49 až 53 stupňov.

Presný výpočet optimálneho uhla pre maximalizáciu ročného výnosu

Výskumné a simulačné údaje z NREL a z nástroja PVWatts potvrdzujú, že empirický vzťah medzi zemepisnou šírkou a optimálnym uhlom naklonenia na maximalizáciu ročného výnosu vo väčšine lokalít má nasledujúci vzorec:

• Pre zemepisné šírky medzi 0 a 25 stupňami: Optimálny uhol sklonu sa rovná približne 0,87-násobku zemepisnej šírky plus 3,1 stupňa. Pri zemepisnej šírke 20 stupňov to dáva optimálny sklon približne 20,5 stupňa.
• Pre zemepisné šírky medzi 25 a 50 stupňami: Optimálny uhol sklonu sa rovná približne zemepisnej šírke plus 2 až 5 stupňov. Pri zemepisnej šírke 40 stupňov je optimálny sklon približne 42 až 45 stupňov.
• Pre zemepisné šírky nad 50 stupňov: Optimálny ročný uhol sklonu je zvyčajne 50 až 55 stupňov, hoci sezónne optimalizačné stratégie, ktoré zvyšujú sklon v zime a znižujú v lete, môžu v týchto polohách s vysokou zemepisnou šírkou zlepšiť ročný výnos v porovnaní s optimom pevného uhla.

Pokuta za výnos za odchýlku od optimálneho uhla o plus alebo mínus 5 stupňov je zvyčajne iba 1 % až 3 % ročného výnosu , čo znamená, že praktické obmedzenia, ako je štrukturálne pohodlie, estetika alebo potreba držiaka s pevným uhlom na solárnom stĺpe, môžu byť prispôsobené bez výrazných obetí výroby energie. Pokuta za výnos sa stáva významnejšou pre odchýlky väčšie ako 10 až 15 stupňov od optima, najmä pre panely orientované na juh na severnej pologuli, kde 20-stupňová odchýlka od optimálneho sklonu znižuje ročný výnos o 5 % až 10 %.

Optimálne ročné uhly naklonenia podľa regiónu USA

Solárny panel Direction by Zip Code: How to Find Your Site-Specific Optimal Orientation

Nájdenie presného smeru solárneho panelu podľa PSČ pre akékoľvek miesto v Spojených štátoch si vyžaduje použitie jedného z verejne dostupných nástrojov na analýzu solárnych zdrojov, ktoré vypočítavajú optimálnu orientáciu a odhadovaný ročný energetický výnos pre solárny panel na konkrétnych geografických súradniciach. Najuznávanejším a najpoužívanejším nástrojom je kalkulačka PVWatts od NREL, ktorá je voľne dostupná online a vypočítava očakávaný ročný výstup striedavej energie a kapacitný faktor pre systém solárnych panelov na akomkoľvek mieste v USA.

Ako používať NREL PVWatts na smerovanie solárnych panelov podľa PSČ

1. Prejdite na kalkulačku PVWatts na adrese pvwatts.nrel.gov a do poľa vyhľadávania polohy zadajte svoje PSČ alebo adresu. Nástroj identifikuje najbližšiu dátovú stanicu solárnych zdrojov a načíta údaje o slnečnom žiarení pre vašu polohu.
2. Zadajte kapacitu systému solárneho panela, ktorý hodnotíte (špičkový výkon jednosmerného prúdu panelu alebo poľa). Pre systém s jedným solárnym pólom to môže byť 100 až 200 wattov; pre veľké strešné alebo pozemné pole to môžu byť kilowatty alebo megawatty.
3. Nastavte uhol sklonu na hodnotu rovnajúcu sa vašej zemepisnej šírke (dobrá počiatočná aproximácia) a nastavte azimut na 180 stupňov (skutočný juh na severnej pologuli). Všimnite si zobrazený odhadovaný ročný energetický výkon.
4. Zmeňte uhol sklonu v prírastkoch 5 stupňov nad a pod vašou zemepisnou šírkou a pozorujte zmenu ročného energetického výdaja. Uhol sklonu, ktorý vytvára maximálny ročný energetický výkon, je optimálny uhol pre solárne panely špecifický pre vaše miesto.
5. Potvrďte, že smer je skutočný na juh (azimut 180 stupňov podľa konvencie PVWatts), nie magnetický juh. Rozdiel medzi skutočným juhom a magnetickým juhom (magnetická deklinácia) sa líši podľa miesta: na východe Spojených štátov je magnetický sever približne 10 až 15 stupňov západne od skutočného severu, čo znamená, že na nájdenie skutočného juhu je potrebné opraviť údaj o juhu.

Pre väčšinu kontinentálnych miest v USA bude výsledok optimálneho uhla sklonu PVWatts v rozmedzí 2 až 4 stupňov zemepisnej šírky miesta, čo potvrdzuje pravidlo zemepisnej šírky rovná sa optimálneho sklonu ako praktický východiskový bod. Miesta s výraznou oblačnosťou v špecifických ročných obdobiach (ako je pacifický severozápad s ťažkou zimnou oblačnosťou) môžu vykazovať mierne odlišné optimum od jednoduchého pravidla zemepisnej šírky, pretože solárne zdroje nie sú rovnomerne rozdelené počas štyroch ročných období.

Solárny panel Direction for Solar Poles: Practical Mounting Considerations

Pri montáži solárneho panela na solárny stĺp by mala byť optimálna orientácia vypočítaná z PVWattov implementovaná do konštrukcie držiaka namontovaného na stĺp. Inštalácie solárnych stĺpov však majú špecifické praktické obmedzenia, ktoré niekedy menia teoretické optimum:

• Zaťaženie solárneho panelu vetrom: Solárny panel namontovaný pod uhlom naklonenia na stožiar pôsobí ako veterná plachta, ktorá vytvára značnú bočnú silu na stožiar, ktorá sa zväčšuje s plochou panelu a uhlom naklonenia. V zemepisných šírkach nad 45 stupňov vytvárajú optimálne uhly sklonu 45 až 50 stupňov vyššie zaťaženie vetrom ako nižšie uhly naklonenia, čo môže vyžadovať silnejší prierez stĺpa alebo špecifikáciu základu. V zónach s vysokým vetrom možno prijať praktický sklon 10 až 15 stupňov pod teoretické optimum, aby sa znížilo zaťaženie vetrom na prijateľnú úroveň, akceptuje sa malé (2 % až 5 %) zníženie ročného energetického výnosu.
• Tienenie zo stĺpa alebo ramena svietidla: Samotná konštrukcia stĺpa a rameno svietidla môžu vrhať tiene na solárny panel v určitých časoch dňa, najmä skoro ráno a neskoro popoludní, keď je slnko nízko a v uhle, ktorý prináša tieň stĺpa cez panel. Umiestnenie panelov na stožiar by sa malo vyhodnotiť z hľadiska samotienenia pri extrémnych slnečných uhloch pre zemepisnú šírku inštalácie, aby sa potvrdilo, že počas poludňajších hodín s vysokou intenzitou žiarenia nedochádza k žiadnemu výraznému zatieneniu.
• Orientácia cesty: Slnečné stĺpy inštalované pozdĺž ciest môžu mať svoju orientáciu obmedzenú orientáciou cesty, ktorá nemusí viesť presne z východu na západ. Solárny panel na solárnom póle pozdĺž cesty zo severu na juh nemôže smerovať na juh bez toho, aby vyčnieval do vozovky. V takýchto prípadoch je orientácia panela typicky nastavená na maximálny uhol orientovaný na juh, ktorý je možné dosiahnuť v rámci priestorových obmedzení inštalácie.

Špecifikácia solárnych stĺpov pre projekty osvetlenia mimo siete: Dimenzovanie celého systému

Správne dimenzovanie solárneho stĺpa pre osvetlenie mimo siete vyžaduje výpočet spotreby energie systému (z menovitého výkonu LED svietidla a požadovaných prevádzkových hodín za noc), slnečnej energie dostupnej na mieste, batériového úložiska potrebného na požadovanú autonómiu (počet po sebe nasledujúcich zamračených dní, počas ktorých musí systém fungovať bez slnka) a oblasť solárneho panela potrebná na spoľahlivé dobitie batérie v typických solárnych podmienkach na mieste.

Krok za krokom Dimenzovanie systému solárnych pólov

1. Určite nočnú spotrebu energie: Vynásobte výkon LED svietidla vo wattoch požadovanými prevádzkovými hodinami za noc. 60-wattové LED svietidlo pracujúce 12 hodín za noc vyžaduje 720 watthodín (0,72 kWh) energie za noc.
2. Zistite požadovanú kapacitu batérie: Vynásobte nočnú spotrebu energie požadovanými dňami autonómie (zvyčajne 3 až 5 dní pre väčšinu komerčných aplikácií solárnych stĺpov) a vydeľte hĺbkou vybitia batérie (maximálne 80 % pre LiFePO4). Pre 5 dní autonómie: 720 Wh x 5 dní delené 0,80 = požadovaná kapacita batérie 4 500 Wh (4,5 kWh).
3. Určite minimálnu kapacitu solárneho panela: Solárny panel musí dobiť batériu z minimálneho stavu nabitia (po 5 po sebe idúcich zamračených dňoch v príklade vyššie) v primeranom časovom rámci, keď sa vráti slnko, pričom musí dodávať aj dennú prevádzkovú energiu. Použitím priemerných denných hodín slnečného svitu z PVWattov vydelte celkovú dennú potrebu energie (rezerva nabíjania plus prevádzková energia) hodinami slnečného žiarenia v špičkovej prevádzke, aby ste získali minimálny maximálny výkon panela.
4. Použiť okraj dizajnu: Pridajte návrhovú rezervu 20 % až 30 % k vypočítanej minimálnej veľkosti panelu, aby ste zohľadnili znečistenie panelu, zníženie teploty, straty káblov a neefektívnosť ovládača. Táto rezerva zaisťuje spoľahlivý výkon počas projektovanej životnosti systému, keď sa tieto stratové faktory kumulujú.

Často kladené otázky

1. Aké vysoké sú stĺpy osvetlenia pre štandardné obytné ulice?

Typické sú štandardné obytné stĺpy verejného osvetlenia 5 až 8 metrov (16 až 26 stôp) vysoký, pričom 6 metrov je najčastejšie špecifikovaná výška pre štandardné obytné ulice so šírkou jedného pruhu 6 až 8 metrov. V tejto výške štandardné cestné LED svietidlá s fotometrickými rozvodmi typu II alebo III poskytujú cieľové osvetlenie pre obytné ulice (zvyčajne 5 až 15 luxov priemerne udržiavané osvetlenie v závislosti od príslušnej normy osvetlenia ciest) pri rozstupoch stĺpov 25 až 35 metrov.

2. Aké sú hlavné typy kandelábrov používaných v modernom mestskom prostredí?

Hlavné typy kandelábrov v modernom mestskom prostredí sú: galvanizované oceľové kužeľové stožiare na všeobecné osvetlenie ciest (najrozšírenejší typ na celom svete kvôli ich kombinácii konštrukčného výkonu a nízkej cene); hliníkové kužeľové stĺpy pre pobrežné a prémiové inštalácie vyžadujúce odolnosť proti korózii bez údržby; dekoratívne stožiare z liateho hliníka pre centrá miest, námestia a nákupné ulice, kde je estetika rovnako dôležitá ako funkcia; FRP kompozitné tyče pre chemicky agresívne prostredie; a točené betónové stĺpy na rozvojových trhoch, kde sú hlavnými hnacími silami minimálna údržba a veľmi nízke náklady. Solárne stĺpy predstavujú rastúcu kategóriu, ktorú je možné nakonfigurovať v ktorejkoľvek z týchto štruktúrnych foriem s pridaním solárnych panelov a komponentov batérie.

3. Aký je optimálny uhol pre solárne panely na 35° severnej zemepisnej šírky?

V zemepisnej šírke 35 stupňov severnej zemepisnej šírky (približne Los Angeles, Kalifornia; Dallas, Texas alebo Tokio, Japonsko) je optimálny uhol pre solárne panely pre maximálny ročný energetický výnos približne 33 až 37 stupňov od horizontály, čo je blízko, ale mierne nad uhlom miestnej zemepisnej šírky. Tento sklon je výsledkom asymetrie medzi letnými a zimnými dráhami slnečného žiarenia v tejto zemepisnej šírke: leto prináša veľmi vysoký slnečný uhol s dlhými dňami, ktoré je možné zachytiť pri nižších uhloch sklonu, zatiaľ čo zima prináša nízky uhol slnka s krátkymi dňami, ktoré využívajú vyššie uhly sklonu, a optimálna ročná rovnováha je mierne nad uhlom zemepisnej šírky v týchto polohách strednej zemepisnej šírky.

4. Ako nájdem smer solárneho panelu podľa PSČ pre moju konkrétnu polohu?

Najpresnejšou metódou na nájdenie smeru solárneho panelu podľa PSČ je použiť kalkulačku NREL PVWatts na adrese pvwatts.nrel.gov. Zadajte svoje PSČ, nastavte azimut panelu na 180 stupňov (skutočný juh), zmeňte uhol sklonu v 5-stupňových prírastkoch a zaznamenajte si ročný energetický výstup pri každom naklonení. Naklonenie, ktoré produkuje maximálny ročný výkon, je optimálnym uhlom pre solárne panely špecifické pre vaše miesto. Pamätajte, že azimut PVWatts používa skutočný sever ako nulu, takže 180 stupňov zodpovedá skutočnému juhu. Magnetický juh sa líši od skutočného juhu miestnou hodnotou magnetickej deklinácie, ktorá sa musí použiť, ak na orientáciu panelu používate kompas.

5. Ako fungujú slnečné póly a ako dlho vydržia?

Solárne stĺpy fungujú tak, že zbierajú slnečnú energiu cez solárny panel namontovaný na konštrukcii stĺpa, ukladajú energiu do systému batérie na palube a využívajú túto uloženú energiu na napájanie LED svietidla počas nočných hodín. Inteligentný regulátor nabíjania riadi tok energie a prispôsobuje jas svietidla na základe stavu batérie a nočného času, aby sa maximalizovala spoľahlivosť. Konštrukčné komponenty stĺpov majú životnosť 20 až 30 rokov v porovnaní s bežnými stĺpmi osvetlenia. Solárny panel má typickú záruku na výkon 25 rokov. LED svietidlá majú životnosť 50 000 až 100 000 hodín. Batérie LiFePO4 vyžadujú výmenu každých 7 až 10 rokov, čo je najčastejšia údržba počas životného cyklu solárneho pólu.

6. Sú solárne stĺpy nákladovo efektívnejšie ako osvetlenie pripojené k sieti?

Solárne stĺpy sú vo všeobecnosti nákladovo efektívnejšie ako osvetlenie pripojené k sieti, keď sú náklady na hĺbenie podzemných elektrických káblov vysoké, keď je miesto inštalácie vzdialené od existujúcej elektrickej infraštruktúry alebo keď je príslušná tarifa za elektrinu vysoká. Kapitálové náklady systému solárnych stĺpov sú zvyčajne o 30 % až 60 % vyššie ako ekvivalent pripojený k sieti na jeden stĺp, ale táto prémia je kompenzovaná elimináciou vysokých občianskych nákladov (ktoré zvyčajne predstavujú 40 % až 60 % celkových nákladov na inštaláciu pripojenej k sieti) a elimináciou pokračujúcich nákladov na elektrinu počas životnosti systému. Pre lokality, kde sú nízke náklady na pripojenie do siete a nízke tarify za elektrinu, ekonomika uprednostňuje systémy pripojené k sieti.

7. Záleží na smere solárneho panela, ak ho nakloním do pravého uhla?

Áno, uhol sklonu aj smer (azimut) solárneho panela sú dôležité pre maximalizáciu energetického výnosu. Na severnej pologuli by mal solárny panel smerovať na skutočný juh (azimut 180 stupňov), aby sa maximalizovalo vystavenie dráhe slnka po oblohe. Orientácia na východ alebo západ od skutočného juhu výrazne znižuje ročnú produkciu energie: panel orientovaný na juhovýchod alebo juhozápad (45 stupňov od skutočného juhu) zachytí približne 90 % až 93 % energie skutočného panelu orientovaného na juh pri optimálnom sklone. Panel orientovaný na skutočný východ alebo západ zachytí len približne 75 % až 80 % energie optimálneho panelu orientovaného na juh. Smer solárneho panelu pomocou nástroja PSČ potvrdzuje skutočný juh pre akékoľvek miesto, pričom zohľadňuje miestne faktory.

8. Aký je rozdiel medzi solárnym stĺpom a konvenčným svetelným stĺpom s pripojením na solárnu energiu?

Solárny stĺp je plne integrovaný samostatný osvetľovací systém, v ktorom sú solárny panel, batéria, ovládač a svietidlo navrhnuté a skonštruované tak, aby fungovali spoločne ako jeden systém, pričom konštrukcia stĺpa je navrhnutá tak, aby prenášala zaťaženie solárneho panela vetrom a integrovala batériový priestor do základne stĺpa alebo do účelovo navrhnutého krytu. Konvenčný svetelný stožiar so samostatným pripojením na solárnu energiu je hybridné usporiadanie, kde bol stožiar pôvodne navrhnutý pre službu zapojenú do siete a ako dodatočný nápad bol pridaný solárny panel, často s batériovým boxom namontovaným na povrchu a regulátorom nabíjania, ktorý nemusí byť štrukturálne integrovaný alebo optimálne špecifikovaný pre geografickú polohu stožiara a požiadavky na osvetlenie. Účelovo vyrobené solárne stožiare poskytujú lepší výkon, lepšiu estetiku a dlhšiu životnosť ako prerobené konvenčné stožiare vo väčšine aplikácií.

9. Môžu solárne póly spoľahlivo fungovať v severných štátoch s menším slnečným svitom?

Solárne póly môžu spoľahlivo fungovať v severných štátoch vrátane Minnesoty, Wisconsinu, Michiganu a severozápadného Pacifiku, ale musia byť primerane dimenzované pre nižšie zimné solárne zdroje v týchto lokalitách. Kľúčové úpravy dizajnu pre inštalácie severných solárnych pólov zahŕňajú: väčšiu kapacitu solárnych panelov na zachytávanie primeranej energie počas krátkych zimných dní (zvýšenie pomeru panela k záťaži z 1,2 na 1,5 typického pre inštalácie na juhu na 2,0 až 3,0 alebo vyššie); väčšia kapacita batérie na poskytnutie požadovanej viacdňovej autonómie počas dlhších zamračených období; adaptívne regulátory stmievania, ktoré znižujú výkon svietidla počas období s nízkymi zdrojmi, aby sa predĺžila autonómia; a starostlivá optimalizácia optimálneho uhla pre solárne panely, aby sa uprednostňovalo zimné zachytávanie energie naklonením panelu strmším ako je uhol zemepisnej šírky, akceptovaním určitého letného zníženia výnosu výmenou za lepší zimný výkon.

10. Ako zaťaženie vetrom ovplyvňuje dizajn solárnych stĺpov v porovnaní s konvenčnými svetelnými stĺpmi?

Zaťaženie vetrom na solárnom stožiari je podstatne vyššie ako na konvenčnom svetelnom stožiari rovnakej výšky, pretože solárny panel namontovaný na stožiari pôsobí ako plachta, ktorá vytvára podstatnú bočnú silu, keď vietor fúka kolmo na čelo panelu. 200-wattový monokryštalický solárny panel s rozmermi približne 1,0 m x 1,7 m predstavuje projektovanú plochu 1,7 m2 proti vetru. Pri projektovanej rýchlosti vetra 45 m/s (typická hodnota pre veternú zónu ASCE 7 kategórie II) tento panelový panel generuje silu vetra približne 2 500 až 3 500 Newtonov na konzolu panelu a vrchol stĺpa, ktorej musí odolať konštrukcia stĺpa a základ. Toto dodatočné zaťaženie si zvyčajne vyžaduje hrúbku steny stĺpa o 20 % až 40 % väčšiu ako ekvivalentná výška konvenčného stĺpa a základ s hlbšou kotevnou hĺbkou alebo väčším priemerom betónovej základne, aby odolal vyššiemu momentu prevrátenia pri sklone.