Kierunek panelu słonecznego według kodu pocztowego i optymalnego kąta dla paneli słonecznych: kompletny przewodnik praktyczny

Wysokości słupów świetlnych, typy latarni i orientacja paneli słonecznych w skrócie

Maszty oświetleniowe mają długość od 3 metrów (10 stóp) do zastosowań w ogrodach przydomowych i na ścieżkach do 40 metrów (130 stóp) lub więcej w przypadku instalacji na stadionach i autostradach z wysokimi masztami. Standardowe słupy oświetlenia ulicznego mają zazwyczaj długość od 8 do 12 metrów (26 do 40 stóp) w przypadku dróg osiedlowych i głównych, natomiast słupy parkingowe mają długość od 6 do 10 metrów (20 do 33 stóp). Przed zakupem konieczne jest zrozumienie prawidłowej wysokości dla każdego zastosowania, ponieważ wysokość słupa bezpośrednio określa poziom oświetlenia przy gruncie, liczbę wymaganych słupów i specyfikację fundamentu niezbędną do wytrzymania obciążenia wiatrem na danej wysokości.

Dla słupów słonecznych, które montują a Panel słoneczny obok lub na oprawie oświetleniowej, optymalny kąt dla paneli słonecznych w kontynentalnych Stanach Zjednoczonych waha się od około 25 stopni na Florydzie (25–30 stopni szerokości geograficznej północnej) do 47 stopni w Montanie i Północnej Dakocie (45–49 stopni szerokości geograficznej północnej). W przypadku instalacji o stałym nachyleniu kierunek jest prawdziwy na południe na półkuli północnej. Dla dowolnego konkretnego kodu pocztowego w Stanach Zjednoczonych kalkulator PVWatts Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) podaje dokładne zasoby energii słonecznej i optymalny kąt nachylenia dla tej lokalizacji, eliminując domysły na podstawie specyfikacji paneli słonecznych na słupach słonecznych.

W tym przewodniku szczegółowo omówiono wszystkie te tematy: standardowe wysokości słupów świetlnych w zależności od zastosowania, główne typy latarni i różnice konstrukcyjne, działanie słupów słonecznych jako zintegrowanego systemu, jak określić prawidłowy kierunek paneli słonecznych według kodu pocztowego oraz jak obliczyć optymalny kąt dla paneli słonecznych w celu uzyskania maksymalnego rocznego uzysku energii.

Jak wysokie są słupy oświetleniowe: standardowe wysokości według zastosowania

Na pytanie o wysokość słupów oświetleniowych nie można odpowiedzieć jedną liczbą, ponieważ prawidłowa wysokość montażu zależy od zastosowania: docelowego poziomu oświetlenia na podłożu, rozstawu słupów, szerokości oświetlanej powierzchni oraz rozsyłu fotometrycznego montowanej oprawy. Każda kombinacja tych zmiennych tworzy unikalną optymalną wysokość słupa, która równoważy pokrycie, jednolitość i kontrolę olśnienia.

Oświetlenie ulic i ścieżek przy budynkach mieszkalnych

Oświetlenie uliczne w dzielnicach mieszkaniowych wykorzystuje słupy o najniższej wysokości ze wszystkich zastosowań na drogach publicznych. Typowe są standardowe słupy oświetlenia ulicznego przy budynkach mieszkalnych w Stanach Zjednoczonych i Europie 5 do 8 metrów (16 do 26 stóp) wysoki, przy czym 6 metrów to najczęściej podawana wysokość w przypadku standardowych ulic mieszkalnych o szerokości jezdni od 6 do 8 metrów. Na tej wysokości standardowa oprawa drogowa LED o rozsyle fotometrycznym typu II lub III zapewnia odpowiednie oświetlenie na jezdni i przyległym chodniku przy rozstawie słupów od 25 do 35 metrów.

W oświetleniu ścieżek i pieszych stosuje się zazwyczaj nawet krótsze słupy 3 do 5 metrów (10 do 16 stóp) , ponieważ docelowe natężenie oświetlenia w obszarach dla pieszych jest niższe niż w przypadku jezdni dla pojazdów, a mniejsze wysokości montażu zapewniają bardziej intymne środowisko wizualne w skali ludzkiej, odpowiednie dla parków, placów i ogrodów przydomowych. Oprawy słupkowe w kształcie słupków o wysokości od 0,6 do 1,2 metra wyznaczają najniższy koniec kategorii oświetlenia ścieżek i są używane głównie do wyznaczania krawędzi, a nie do oświetlenia ogólnego.

Oświetlenie dróg komercyjnych i arterii

Ulice handlowe, arterie i miejskie ulice zbiorcze wymagają większych wysokości montażu niż ulice osiedlowe, aby zapewnić odpowiednie oświetlenie na szerszych jezdniach i utrzymać akceptowalne współczynniki jednorodności na wielu pasach ruchu. Standardowe wysokości montażu oświetlenia ulic handlowych i arterii komunikacyjnych wynoszą 8 do 12 metrów (26 do 40 stóp) , przy czym 10 metrów to najczęściej określana wysokość w przypadku dwupasmowych dróg szybkiego ruchu o szerokości jezdni od 10 do 14 metrów.

W przypadku autostrad dwujezdniowych i dróg dwujezdniowych, gdzie słupy są umieszczone pośrodku pasa rozdzielającego i muszą oświetlać ruch w obu kierunkach z jednego słupa, standardowa wysokość montażu wzrasta do 12 do 14 metrów (40 do 46 stóp) z konfiguracjami wsporników z dwoma ramionami, które rozciągają oprawy na każdą jezdnię. Taka konfiguracja zmniejsza całkowitą liczbę słupów w przypadku podzielonych odcinków dróg o około 40% w porównaniu z jednoramiennym montażem przydrożnym, znacznie zmniejszając koszty instalacji.

Oświetlenie parkingu i terenu

Zwykle są to słupy oświetleniowe na parkingach 6 do 10 metrów (20 do 33 stóp) wysokie, o określonej wysokości wybranej na podstawie układu parkingu, wymaganego poziomu oświetlenia (zwykle od 10 do 50 stopo-kanałów na poziomie, w zależności od wymogów bezpieczeństwa) i rozsyłu fotometrycznego oprawy. Niższe wysokości montażu (6 do 7 metrów) są powszechne na parkingach przy budynkach mieszkalnych, gdzie priorytetem projektowym jest minimalizacja przenikania światła na sąsiednie posesje. Większe wysokości montażu (8 do 10 metrów) są stosowane na parkingach komercyjnych i detalicznych, gdzie pożądany jest większy odstęp między słupami, aby zmniejszyć liczbę słupów i fundamentów na dużej działce.

Oświetlenie sportowe i wysokie maszty

Dostępne są słupy oświetleniowe boisk sportowych dla obiektów rekreacyjnych i szkolnych 12 do 20 metrów (40 do 65 stóp) aby osiągnąć wysokość montażową potrzebną do uzyskania profesjonalnego poziomu oświetlenia na boiskach bez nadmiernego oślepiania graczy patrzących w górę pola w stronę opraw. Profesjonalne i stadionowe obiekty sportowe wykorzystują specjalistyczne konstrukcje wieżowe przy ul 20 do 45 metrów (65 do 150 stóp) w zależności od dyscypliny sportowej i wymaganego poziomu oświetlenia (do 2000 luksów w przypadku transmisji telewizyjnych z najważniejszych wydarzeń w jakości telewizyjnej).

Wysokie maszty oświetleniowe dla węzłów autostradowych, obiektów portowych, płyt postojowych lotnisk i dużych placów przemysłowych obejmują m.in 20 do 40 metrów (65 do 130 stóp) wysokości, z pierścieniami opraw składającymi się z 6 do 20 opraw na słup, które łącznie oświetlają obszary o powierzchni do 30 000 metrów kwadratowych z jednego słupa.

Skrócona instrukcja dotycząca wysokości słupa świetlnego

Rodzaje latarni: klasyfikacja praktyczna

Rodzaje latarni stosowanych obecnie obejmują szeroką gamę tradycyjnych, dekoracyjnych konstrukcji żeliwnych po nowoczesne konstrukcje stalowe i aluminiowe, z których każda jest dostosowana do różnych wymagań estetycznych, strukturalnych i funkcjonalnych. Zrozumienie głównych typów latarni pozwala projektantom, gminom i właścicielom nieruchomości dopasować typ słupa do wymagań aplikacji, zamiast uciekać się do najbardziej znanej lub najtańszej opcji.

Proste słupy stożkowe ze stali lub aluminium

Standardową latarnią użytkową do większości nowoczesnych zastosowań w oświetleniu drogowym i parkingowym jest prosty, stożkowy słup stalowy lub aluminiowy. Słupy te są produkowane poprzez walcowanie i spawanie blachy stalowej (w przypadku modeli ze stali ocynkowanej) lub wytłaczanie kęsów aluminiowych (w przypadku modeli aluminiowych) w stożkowy stożek, który zmniejsza się z większej średnicy podstawy do mniejszej średnicy końcówki. Stożek poprawia wydajność strukturalną poprzez koncentrację materiału w miejscach, gdzie naprężenia zginające są największe (u podstawy) i redukcję materiału w miejscach, w których naprężenia są najniższe (na końcu).

Zwężane słupy ze stali ocynkowanej są najpowszechniej stosowanym typem latarni na świecie, ponieważ zapewniają doskonałe parametry konstrukcyjne przy najniższym koszcie materiału na metr wysokości. Cynkowanie ogniowe zgodnie z ASTM A123 zapewnia powłokę cynkową o grubości od 85 do 140 mikronów, która chroni stal pod spodem przez 20 do 30 lat w większości warunków atmosferycznych zanim konieczne będzie ponowne pomalowanie. Aluminiowe słupy stożkowe kosztują około 30% do 50% więcej niż równoważne słupy stalowe, ale nie wymagają obróbki powierzchni i są odporne na korozję przez czas nieokreślony we wszystkich oprócz najbardziej agresywnych środowiskach przemysłowych i morskich, co czyni je preferowanym wyborem w przypadku instalacji przybrzeżnych.

Latarnie dekoracyjne i zabytkowe

Latarnie dekoracyjne znajdują zastosowanie w dzielnicach historycznych, centrach miast, na ulicach handlowych, placach, w parkach oraz we wszelkich instalacjach, w których sama latarnia musi przyczyniać się do estetyki otoczenia, a nie być konstrukcją czysto użytkową. Główne materiały stosowane w latarniach dekoracyjnych i zabytkowych to:

• Żeliwo: Tradycyjny materiał latarni używany w oświetleniu ulicznym z epoki wiktoriańskiej i edwardiańskiej, który jest nadal reprodukowany na potrzeby projektów ochrony dziedzictwa kulturowego i nowych instalacji wymagających autentycznego wyglądu z epoki. Żeliwne latarnie są niezwykle ciężkie (zwykle od 200 do 600 kg w przypadku standardowego 4-metrowego słupa) i wymagają regularnej konserwacji lakierniczej, aby zapobiec rdzewieniu, ale zapewniają charakter wizualny, którego nie są w stanie odtworzyć współczesne materiały. Są odporne na uderzenia, które mogłyby wgniecić słupy stalowe lub aluminiowe.
• Odlew aluminiowy: Nowoczesne dekoracyjne latarnie naśladują wygląd tradycyjnych konstrukcji z żeliwa z odlewanego aluminium, które jest znacznie lżejsze (około jedna trzecia masy żeliwa), odporne na korozję bez konieczności malowania i dostępne w dowolnym kolorze powłoki proszkowej, co zapewnia elastyczność projektowania. Latarnie dekoracyjne z odlewanego aluminium są dominującym wyborem w przypadku nowych dekoracyjnych instalacji oświetlenia ulicznego, ponieważ łączą w sobie tradycyjną estetykę z nowoczesnymi właściwościami materiału.
• Polimer wzmocniony włóknem szklanym (FRP): Dekoracyjne latarnie z FRP są stosowane w środowiskach przybrzeżnych, zakładach chemicznych i innych środowiskach korozyjnych, gdzie nawet aluminium wymagałoby niedopuszczalnej konserwacji, a także w zastosowaniach, w których nie tolerowane są żadne elementy metalowe. Słupy FRP mogą być produkowane w dowolnym kolorze i fakturze powierzchni oraz mają zerowe ryzyko korozji w każdym środowisku atmosferycznym.

Wirowane słupy betonowe

Słupy z betonu wirowanego stanowią główną kategorię latarni stosowanych na rynkach rozwijających się oraz na niektórych drogach o dużym natężeniu ruchu na rynkach rozwiniętych, gdzie ich bardzo niski koszt i brak wymagań konserwacyjnych przewyższają wady związane z dużą wagą i ograniczoną elastycznością estetyczną. Słupy ze sprężonego betonu wirowanego są produkowane poprzez wlewanie betonu do wirującej cylindrycznej formy, która wykorzystuje siłę odśrodkową do zagęszczenia mieszanki wokół rdzenia ze sprężonego drutu stalowego. Powstały słup jest mocny, trwały i nie wymaga konserwacji powierzchni, ale jest bardzo ciężki, trudny do transportu w odległe miejsca i nie można go malować proszkowo ani łatwo modyfikować po wyprodukowaniu.

Ośmiokątne i okrągłe słupy stalowe do zastosowań komercyjnych

W przypadku parkingów, obiektów handlowych i obiektów przemysłu lekkiego, gdzie ważne są umiarkowane parametry konstrukcyjne i konkurencyjny koszt, szeroko stosowane są ośmiokątne proste słupy stalowe. Ośmiokątny przekrój zapewnia lepszą odporność na wibracje wywołane wiatrem niż przekroje kołowe o równoważnej grubości ścianki, ponieważ ośmiokątna geometria przerywa wirowanie, które powoduje oscylacje okrągłych słupów przy określonych prędkościach wiatru (zjawisko zwane rezonansem wirowym Karmana, które powoduje awarie zmęczeniowe w instalacjach słupów okrągłych w regionach o silnym wietrze).

Rodzaje latarni: tabela porównawcza

Słupy słoneczne: jak działa zintegrowane oświetlenie słoneczne

Słupy słoneczne łączą w sobie funkcję strukturalną konwencjonalnego słupa oświetleniowego ze zintegrowanym panelem słonecznym, który generuje energię elektryczną do zasilania oprawy, systemem akumulatorów przechowującym energię zebraną w ciągu dnia do wykorzystania w nocy oraz inteligentnym kontrolerem, który zarządza przepływem energii pomiędzy panelem słonecznym, baterią i oprawą, aby zmaksymalizować niezawodne godziny świecenia niezależnie od dziennych zmian w nasłonecznieniu.

Podstawowe elementy układu biegunów słonecznych

Każdy system słupów słonecznych integruje następujące komponenty, a specyfikacja każdego komponentu określa niezawodność systemu, autonomię (ile kolejnych pochmurnych dni może działać bez ładowania) i całkowity koszt:

• Panel słoneczny: Moduł fotowoltaiczny przetwarzający światło słoneczne na energię elektryczną prądu stałego. Monokrystaliczne panele krzemowe o wydajności od 20% do 23% są standardową specyfikacją dla zastosowań w słupach słonecznych, ponieważ ich wyższa wydajność na jednostkę powierzchni pozwala na mniejsze wymiary panelu dla danej mocy wyjściowej, co zmniejsza obciążenie wiatrem na słupie i poprawia wizualną proporcję panelu słonecznego w stosunku do wysokości słupa. Moc znamionowa paneli dla słupów słonecznych waha się od 30 watów dla małych słupów oświetlenia ścieżek do 400 watów lub więcej dla słupów słonecznych o dużej mocy do oświetlenia drogowego.
• System przechowywania baterii: Przechowuje energię elektryczną wytwarzaną przez panel słoneczny do wykorzystania w nocy i w pochmurne dni. Baterie litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4) są obecnym standardem w zastosowaniach na słupach słonecznych ze względu na ich długą żywotność (2000 do 4000 cykli pełnego ładowania i rozładowania, co odpowiada 5 do 11 lat codziennej pracy na rowerze), stabilność termiczną i wysoką gęstość energii. Akumulatory kwasowo-ołowiowe są nadal używane w zastosowaniach wrażliwych na koszty, ale wymagają częstszej wymiany (zwykle co 2 do 4 lat) i mają znacznie krótszy cykl życia.
• Oprawa LED: Urządzenie generujące światło, prawie powszechnie stosowane w nowych instalacjach Solar Pole, w postaci diod LED, ponieważ wysoka skuteczność świetlna diod LED (zwykle od 130 do 180 lumenów na wat w przypadku opraw drogowych i terenowych) minimalizuje rozmiar panelu słonecznego i akumulatora wymaganego dla danego poziomu oświetlenia, co bezpośrednio zmniejsza koszt inwestycyjny całego systemu Solar Pole.
• Kontroler ładowania: Urządzenie elektroniczne zarządzające ładowaniem akumulatora z Panelu Słonecznego, zapobiega przeładowaniu i nadmiernemu rozładowaniu, a w nowoczesnych systemach kontroluje adaptacyjne przyciemnianie oprawy LED na podstawie pozostałego stanu naładowania akumulatora, pory nocy i wejść detekcji ruchu, aby zmaksymalizować autonomię systemu w okresach zmniejszonego dopływu energii słonecznej.

Zalety słupów słonecznych w porównaniu z oświetleniem podłączonym do sieci

• Nie jest wymagane połączenie z siecią: Słupy słoneczne eliminują koszty cywilne związane z wykopami pod podziemne kable elektryczne, które zazwyczaj stanowią od 40% do 60% całkowitego kosztu instalacji konwencjonalnego systemu oświetlenia podłączonego do sieci. W przypadku instalacji w odległych lokalizacjach, wzdłuż nowych tras dróg, gdzie nie istnieje infrastruktura elektryczna lub w lokalizacjach, w których koszty podłączenia do sieci są szczególnie wysokie, wyeliminowanie tych kosztów cywilnych sprawia, że ​​słupy fotowoltaiczne są konkurencyjne ekonomicznie lub lepsze w porównaniu z alternatywami podłączonymi do sieci.
• Zerowe bieżące koszty energii elektrycznej: Po okresie zwrotu kosztów kapitałowych słupy fotowoltaiczne działają przy zerowych kosztach energii elektrycznej, ponieważ panele słoneczne wytwarzają całą wymaganą energię elektryczną z darmowego promieniowania słonecznego. Dla gmin na rynkach o wysokich stawkach za energię elektryczną ta ciągła oszczędność kosztów stanowi znaczną korzyść finansową w okresie użytkowania instalacji Solar Pole wynoszącym od 15 do 25 lat.
• Szybkie wdrożenie: Instalacje słupów słonecznych można wykonać znacznie szybciej niż ich odpowiedniki podłączone do sieci, ponieważ nie ma zależności od dostępności dostawcy energii elektrycznej w celu zapewnienia połączenia z siecią. Ta zaleta jest szczególnie istotna w przypadku zastosowań oświetlenia awaryjnego, tymczasowego oświetlenia imprez i nowej infrastruktury rozwojowej, która musi działać przed powstaniem stałej infrastruktury sieci elektrycznej.

Ograniczenia i ograniczenia projektowe słupów słonecznych

• Zasoby słoneczne zależne od lokalizacji: Słupy słoneczne zapewniają niezawodne działanie w lokalizacjach o odpowiednim nasłonecznieniu (roczne szczytowe godziny nasłonecznienia powyżej 4 godzin dziennie), ale ich niezawodność staje się problematyczna na północnych szerokościach geograficznych (powyżej 55 stopni północnych) w miesiącach zimowych, kiedy szczytowe godziny nasłonecznienia mogą przez dłuższy czas spadać poniżej 1 do 2 godzin dziennie. W tych lokalizacjach do niezawodnej pracy w zimie wymagane są bardzo duże systemy paneli słonecznych i akumulatorów, co znacznie zwiększa koszty inwestycyjne i potencjalnie sprawia, że ​​rozwiązania alternatywne podłączone do sieci są bardziej ekonomiczne.
• Czułość cieniowania: Panel słoneczny na słupie słonecznym jest montowany na stałej wysokości i w ustalonej orientacji i nie można go zmienić, jeśli po instalacji miejsce zostanie zacienione przez drzewa, nowe budynki lub inne konstrukcje. Nawet częściowe zacienienie panelu słonecznego może radykalnie zmniejszyć jego moc wyjściową, ponieważ większość standardowych konfiguracji paneli słonecznych wykorzystuje diody obejściowe, które powodują skuteczne rozłączanie zacienionych ogniw, zmniejszając moc wyjściową panelu o więcej, niż sugerowałaby sama proporcja zacienionego obszaru.
• Koszt wymiany baterii: W przeciwieństwie do opraw podłączonych do sieci, które wymagają jedynie konserwacji lampy i sterownika, systemy Solar Pole wymagają wymiany baterii co 5 do 10 lat, w zależności od składu chemicznego baterii i głębokości cykli rozładowania. Koszt wymiany baterii należy uwzględnić w porównaniu całkowitego kosztu cyklu życia słupów fotowoltaicznych i rozwiązań alternatywnych podłączonych do sieci.

Optymalny kąt dla paneli słonecznych: fizyka i zasady praktyczne

Optymalny kąt dla paneli słonecznych to kąt nachylenia (mierzony od poziomu), pod którym panel słoneczny o stałym nachyleniu wychwytuje maksymalne całkowite promieniowanie słoneczne w ciągu całego roku dla danej lokalizacji geograficznej. Kąt ten zależy od szerokości geograficznej instalacji i zmian deklinacji słonecznej w ciągu roku.

Dlaczego Latitude określa optymalny kąt dla paneli słonecznych

Wysokość słońca na niebie w południe słoneczne (kiedy jest ono najwyżej na niebie i na południowym krańcu półkuli północnej) zmienia się w zależności od szerokości geograficznej obserwatora i pory roku. Na równiku (szerokość geograficzna 0 stopni) słońce przechodzi bezpośrednio nad głową w południe słoneczne podczas równonocy. Na 45 stopniach szerokości geograficznej północnej (w przybliżeniu szerokość geograficzna Minneapolis w Minnesocie lub Mediolanie we Włoszech) słońce znajduje się 45 stopni nad horyzontem w południe podczas równonocy i niżej zimą, wyżej latem.

Panel słoneczny o stałym nachyleniu wychwytuje maksymalne promieniowanie słoneczne, gdy jest zorientowany prostopadle do promieni słonecznych. Ponieważ średni kąt elewacji słońca w ciągu roku jest równy dopełnieniu szerokości geograficznej (90 stopni minus szerokość geograficzna), optymalny kąt dla paneli słonecznych w danym miejscu jest w przybliżeniu równy lokalnemu kątowi szerokości geograficznej. Na 35 stopniach szerokości geograficznej północnej (w przybliżeniu szerokość geograficzna Los Angeles w Kalifornii lub Tokio w Japonii) optymalny roczny kąt nachylenia wynosi około 33 do 37 stopni. Na 51 stopniach szerokości geograficznej północnej (w przybliżeniu na szerokości geograficznej Londynu w Anglii lub Calgary w Kanadzie) optymalny roczny kąt nachylenia wynosi w przybliżeniu 49–53 stopnie.

Precyzyjne obliczanie optymalnego kąta w celu maksymalizacji rocznej wydajności

Dane badawcze i symulacyjne z NREL i narzędzia PVWatts potwierdzają, że empiryczna zależność między szerokością geograficzną a optymalnym kątem nachylenia dla maksymalizacji rocznej wydajności w większości lokalizacji wygląda następująco:

• Dla szerokości geograficznych od 0 do 25 stopni: Optymalny kąt pochylenia wynosi około 0,87 szerokości geograficznej plus 3,1 stopnia. Na 20 stopniach szerokości geograficznej daje to optymalne nachylenie wynoszące około 20,5 stopnia.
• Dla szerokości geograficznych od 25 do 50 stopni: Optymalny kąt pochylenia jest równy w przybliżeniu szerokości geograficznej plus 2 do 5 stopni. Na 40 stopniach szerokości geograficznej optymalne nachylenie wynosi około 42 do 45 stopni.
• Dla szerokości geograficznych powyżej 50 stopni: Optymalny roczny kąt nachylenia wynosi zazwyczaj od 50 do 55 stopni, chociaż strategie optymalizacji sezonowej, które zwiększają nachylenie zimą i zmniejszają latem, mogą poprawić roczne plony w stosunku do optymalnego kąta stałego w lokalizacjach na dużych szerokościach geograficznych.

Kara za plony za odchylenie od optymalnego kąta o plus minus 5 stopni wynosi zazwyczaj tylko 1% do 3% rocznego plonu , co oznacza, że praktyczne ograniczenia, takie jak wygoda konstrukcyjna, estetyka lub potrzeba stosowania wspornika o stałym kącie na słupie fotowoltaicznym, można uwzględnić bez znaczących poświęceń w produkcji energii. Zmniejszenie wydajności staje się bardziej znaczące w przypadku odchyleń większych niż 10 do 15 stopni od optymalnego, szczególnie w przypadku paneli skierowanych na południe na półkuli północnej, gdzie odchylenie o 20 stopni od optymalnego nachylenia zmniejsza roczny plon o 5% do 10%.

Optymalne roczne kąty pochylenia według regionu USA

Panel słoneczny Direction by Zip Code: How to Find Your Site-Specific Optimal Orientation

Znalezienie dokładnego kierunku panelu słonecznego według kodu pocztowego dla dowolnej lokalizacji w Stanach Zjednoczonych wymaga użycia jednego z publicznie dostępnych narzędzi do analizy zasobów energii słonecznej, które obliczają optymalną orientację i szacowany roczny uzysk energii dla panelu słonecznego w określonych współrzędnych geograficznych. Najbardziej wiarygodnym i powszechnie używanym narzędziem jest kalkulator PVWatts firmy NREL, który jest ogólnodostępny w Internecie i oblicza oczekiwaną roczną moc wyjściową energii prądu przemiennego oraz współczynnik wydajności dla systemu paneli słonecznych w dowolnej lokalizacji w USA.

Jak korzystać z NREL PVWatts do wyznaczania kierunku panelu słonecznego według kodu pocztowego

1. Przejdź do kalkulatora PVWatts na stronie pvwatts.nrel.gov i wpisz swój kod pocztowy lub adres w polu wyszukiwania lokalizacji. Narzędzie zidentyfikuje najbliższą stację danych o zasobach słonecznych i załaduje dane dotyczące natężenia promieniowania słonecznego dla Twojej lokalizacji.
2. Wprowadź pojemność systemu panelu słonecznego, który oceniasz (moc szczytowa prądu stałego panelu lub układu). W przypadku pojedynczego systemu słupów słonecznych może to wynosić od 100 do 200 watów; w przypadku dużego zestawu dachowego lub naziemnego może to być kilowat lub megawat.
3. Ustaw kąt pochylenia do wartości równej Twojej szerokości geograficznej (dobre przybliżenie początkowe) i ustaw azymut na 180 stopni (prawdziwe południe na półkuli północnej). Zanotuj wyświetlaną szacunkową roczną produkcję energii.
4. Zmieniaj kąt pochylenia w odstępach co 5 stopni powyżej i poniżej szerokości geograficznej i obserwuj zmianę rocznej produkcji energii. Kąt nachylenia, który wytwarza maksymalną roczną produkcję energii, jest optymalnym kątem paneli słonecznych dla danego miejsca.
5. Potwierdź, że kierunek jest rzeczywiście południowy (azymut 180 stopni w konwencji PVWatts), a nie południe magnetyczne. Różnica między prawdziwym południem a południem magnetycznym (deklinacja magnetyczna) różni się w zależności od lokalizacji: we wschodnich Stanach Zjednoczonych północ magnetyczna znajduje się około 10 do 15 stopni na zachód od prawdziwej północy, co oznacza, że ​​odczyt kompasu południa musi zostać skorygowany, aby znaleźć prawdziwe południe.

W przypadku większości lokalizacji w kontynentalnych Stanach Zjednoczonych optymalny kąt nachylenia PVWatt będzie mieścić się w przedziale od 2 do 4 stopni w stosunku do szerokości geograficznej lokalizacji, co potwierdza praktyczną zasadę „szerokość geograficzna równa się optymalne nachylenie” jako praktyczny punkt wyjścia. Lokalizacje ze znacznym zachmurzeniem w określonych porach roku (takie jak północno-zachodni Pacyfik z ciężkimi chmurami zimowymi) mogą wykazywać nieco inne maksimum niż prosta zasada szerokości geograficznej, ponieważ zasoby słoneczne nie są równomiernie rozłożone w ciągu czterech pór roku.

Panel słoneczny Direction for Solar Poles: Practical Mounting Considerations

Podczas montażu panelu słonecznego na słupie fotowoltaicznym w konstrukcji wspornika montowanego na słupie należy zastosować optymalną orientację obliczoną na podstawie mocy PVW. Jednak instalacje słupów słonecznych mają specyficzne ograniczenia praktyczne, które czasami modyfikują teoretyczne maksimum:

• Obciążenie wiatrem panelu słonecznego: Panel słoneczny zamontowany pod kątem nachylenia na maszcie działa jak żagiel wiatrowy, generując znaczną siłę boczną na maszcie, która zwiększa się wraz z powierzchnią panelu i kątem pochylenia. Na szerokościach geograficznych powyżej 45 stopni optymalne kąty nachylenia od 45 do 50 stopni powodują większe obciążenia wiatrem niż mniejsze kąty nachylenia, co może wymagać mocniejszego przekroju słupa lub specyfikacji fundamentu. W strefach o silnym wietrze można przyjąć praktyczne nachylenie od 10 do 15 stopni poniżej teoretycznego maksimum, aby zmniejszyć obciążenie wiatrem do akceptowalnego poziomu, akceptując niewielką (2% do 5%) redukcję rocznego uzysku energii.
• Zacienienie od słupa lub ramienia oprawy: Sama konstrukcja słupa i ramię oprawy mogą rzucać cienie na panel słoneczny o określonych porach dnia, szczególnie wczesnym rankiem i późnym popołudniem, gdy słońce jest nisko i pod kątem, który rzuca cień słupa na panel. Należy ocenić umiejscowienie panelu na słupie pod kątem samozacienienia pod skrajnymi kątami słońca dla szerokości geograficznej instalacji, aby potwierdzić, że w godzinach południowych o dużym natężeniu promieniowania nie występuje żadne znaczące zacienienie.
• Wyrównanie orientacji drogi: Orientacja słupów fotowoltaicznych zainstalowanych wzdłuż dróg może być ograniczona przez ustawienie drogi, która może nie przebiegać dokładnie ze wschodu na zachód. Panel słoneczny na biegunie słonecznym wzdłuż drogi północ-południe nie może być skierowany na południe bez wystania z jezdni. W takich przypadkach orientacja panelu jest zwykle ustawiana na maksymalny kąt skierowany na południe, jaki można osiągnąć w ramach ograniczeń przestrzennych instalacji.

Określanie słupów słonecznych dla projektów oświetlenia poza siecią: wymiarowanie kompletnego systemu

Prawidłowe dobranie słupa fotowoltaicznego do oświetlenia poza siecią wymaga obliczenia zapotrzebowania systemu na energię (na podstawie mocy znamionowej oprawy LED i wymaganych godzin pracy w ciągu nocy), energii słonecznej dostępnej w miejscu instalacji, pojemności akumulatora potrzebnej do wymaganej autonomii (liczba kolejnych pochmurnych dni, przez które system musi działać bez słońca) oraz powierzchni panelu słonecznego potrzebnej do niezawodnego ładowania akumulatora w typowych warunkach słonecznych w obiekcie.

Krok po kroku dobór systemu słupów słonecznych

1. Określ nocne zapotrzebowanie na energię: Pomnóż moc oprawy LED w watach przez wymagane godziny pracy w ciągu nocy. 60-watowa oprawa LED działająca 12 godzin w ciągu nocy wymaga 720 watogodzin (0,72 kWh) energii w ciągu nocy.
2. Określ wymaganą pojemność akumulatora: Pomnóż nocne zapotrzebowanie na energię przez wymagane dni autonomii (zwykle 3 do 5 dni w przypadku większości komercyjnych zastosowań słupów słonecznych) i podziel przez głębokość rozładowania akumulatora (maksymalnie 80% dla LiFePO4). Dla 5-dniowej autonomii: 720 Wh x 5 dni podzielone przez 0,80 = wymagana pojemność akumulatora 4500 Wh (4,5 kWh).
3. Określ minimalną pojemność panelu słonecznego: Panel słoneczny musi naładować akumulator od minimalnego stanu naładowania (po 5 kolejnych pochmurnych dniach w powyższym przykładzie) w rozsądnym czasie, gdy powróci słońce, dostarczając jednocześnie codzienną energię roboczą. Wykorzystując średnią dzienną liczbę godzin nasłonecznienia w obiekcie na podstawie PVW, podziel całkowite dzienne zapotrzebowanie na energię (rezerwa ładowania plus energia operacyjna) przez godziny szczytu słońca, aby uzyskać minimalną moc szczytową panelu.
4. Zastosuj margines projektu: Do obliczonego minimalnego rozmiaru panelu należy dodać margines projektowy wynoszący 20–30%, aby uwzględnić zanieczyszczenie panelu, obniżenie parametrów znamionowych pod wpływem temperatury, straty w kablach i nieefektywność sterownika. Margines ten zapewnia niezawodne działanie przez cały projektowany okres użytkowania systemu, w miarę kumulowania się współczynników strat.

Często zadawane pytania

1. Jak wysokie są słupy oświetleniowe na standardowych ulicach osiedlowych?

Typowe są standardowe słupy oświetlenia ulicznego przy budynkach mieszkalnych 5 do 8 metrów (16 do 26 stóp) wysoki, przy czym 6 metrów to najczęściej podawana wysokość w przypadku standardowych ulic osiedlowych o szerokości jezdni jednopasmowej od 6 do 8 metrów. Na tej wysokości standardowe oprawy drogowe LED z rozsyłem fotometrycznym typu II lub III zapewniają docelowe natężenie oświetlenia dla ulic osiedlowych (zwykle średnie utrzymane natężenie oświetlenia od 5 do 15 luksów, w zależności od obowiązującej normy oświetlenia drogowego) przy rozstawie słupów od 25 do 35 metrów.

2. Jakie są główne typy latarni stosowanych we współczesnych środowiskach miejskich?

Główne typy latarni morskich we współczesnych środowiskach miejskich to: stożkowe słupy ze stali ocynkowanej do ogólnego oświetlenia drogowego (najpowszechniej stosowany typ na świecie ze względu na połączenie wydajności konstrukcyjnej i niskiego kosztu); aluminiowe słupy stożkowe do instalacji przybrzeżnych i premium wymagających odporności na korozję bez konserwacji; odlewane aluminiowe słupy dekoracyjne do centrów miast, placów i ulic handlowych, gdzie estetyka jest równie ważna jak funkcjonalność; Słupy kompozytowe FRP do środowisk agresywnych chemicznie; i słupy wirowane na rynkach rozwijających się, gdzie głównymi czynnikami napędzającymi są minimalna konserwacja i bardzo niskie koszty. Słupy słoneczne reprezentują rosnącą kategorię, którą można skonfigurować w dowolnej z tych form konstrukcyjnych z dodatkiem panelu słonecznego i komponentów akumulatorowych.

3. Jaki jest optymalny kąt dla paneli słonecznych na 35 stopniach szerokości geograficznej północnej?

Na 35 stopniach szerokości geograficznej północnej (w przybliżeniu Los Angeles w Kalifornii, Dallas w Teksasie lub Tokio w Japonii) optymalny kąt dla paneli słonecznych zapewniający maksymalny roczny uzysk energii wynosi około 33–37 stopni od poziomu, czyli blisko lokalnego kąta szerokości geograficznej, ale nieco powyżej niego. To nachylenie jest wynikiem asymetrii między letnimi i zimowymi ścieżkami słońca na tej szerokości geograficznej: lato przynosi bardzo wysoki kąt słońca z długimi dniami, które można uchwycić przy niższych kątach nachylenia, podczas gdy zima przynosi niski kąt słońca z krótkimi dniami, które korzystają z większych kątów nachylenia, a optymalny bilans roczny wypada nieco powyżej kąta szerokości geograficznej w tych lokalizacjach na średnich szerokościach geograficznych.

4. Jak znaleźć kierunek panelu słonecznego według kodu pocztowego dla mojej konkretnej lokalizacji?

Najdokładniejszą metodą ustalenia kierunku panelu słonecznego według kodu pocztowego jest skorzystanie z kalkulatora NREL PVWatts dostępnego na stronie pvwatts.nrel.gov. Wprowadź swój kod pocztowy, ustaw azymut panelu na 180 stopni (prawdziwe południe), zmieniaj kąt pochylenia w odstępach co 5 stopni i zanotuj roczną produkcję energii przy każdym pochyleniu. Nachylenie, które zapewnia maksymalną roczną moc wyjściową, to optymalny kąt dla paneli słonecznych, specyficzny dla danego miejsca. Pamiętaj, że azymut PVWatts przyjmuje prawdziwą północ jako zero, więc 180 stopni odpowiada prawdziwemu południu. Południe magnetyczne różni się od prawdziwego południa lokalną wartością deklinacji magnetycznej, którą należy zastosować, jeśli do orientacji panelu używany jest kompas.

5. Jak działają słupy słoneczne i jak długo działają?

Słupy słoneczne działają poprzez gromadzenie energii słonecznej przez panel słoneczny zamontowany na konstrukcji słupa, magazynowanie energii w pokładowym systemie akumulatorów i wykorzystywanie tej zmagazynowanej energii do zasilania oprawy LED w godzinach nocnych. Inteligentny kontroler ładowania zarządza przepływem energii, dostosowując jasność oprawy do stanu akumulatora i pory nocy, aby zmaksymalizować niezawodność. Elementy słupów konstrukcyjnych mają żywotność od 20 do 30 lat, odpowiadającą konwencjonalnym latarniom. Panel słoneczny ma typowy okres gwarancji na wydajność wynoszący 25 lat. Oprawy LED wytrzymują od 50 000 do 100 000 godzin. Baterie LiFePO4 wymagają wymiany co 7 do 10 lat, co jest najczęstszą czynnością konserwacyjną w cyklu życia słupa słonecznego.

6. Czy słupy fotowoltaiczne są bardziej opłacalne niż oświetlenie podłączone do sieci?

Słupy słoneczne są na ogół bardziej opłacalne niż oświetlenie podłączone do sieci, gdy koszt wykopów pod podziemne kable elektryczne jest wysoki, gdy miejsce instalacji jest oddalone od istniejącej infrastruktury elektrycznej lub gdy obowiązująca taryfa za energię elektryczną jest wysoka. Koszt inwestycyjny systemu słupów fotowoltaicznych jest zazwyczaj o 30–60% wyższy niż w przypadku odpowiednika podłączonego do sieci na słup, ale premia ta jest równoważona przez eliminację kosztów cywilnych związanych z wykopami (które zazwyczaj stanowią 40–60% całkowitego kosztu instalacji podłączonej do sieci) oraz eliminację bieżących kosztów energii elektrycznej przez cały okres użytkowania systemu. W przypadku lokalizacji, w których koszty podłączenia do sieci są niskie, a stawki za energię elektryczną niskie, względy ekonomiczne faworyzują systemy podłączone do sieci.

7. Czy kierunek panelu słonecznego ma znaczenie, jeśli przechylę go pod odpowiednim kątem?

Tak, zarówno kąt nachylenia, jak i kierunek (azymut) panelu słonecznego są ważne dla maksymalizacji uzysku energii. Na półkuli północnej panel słoneczny powinien być skierowany na południe (azymut 180 stopni), aby zmaksymalizować ekspozycję na ścieżkę słońca po niebie. Skierowanie na wschód lub zachód od prawdziwego południa znacznie zmniejsza roczną produkcję energii: panel skierowany na południowy wschód lub południowy zachód (45 stopni od prawdziwego południa) wychwytuje około 90% do 93% energii prawdziwego panelu skierowanego na południe przy optymalnym nachyleniu. Panel skierowany na wschód lub zachód wychwytuje tylko około 75% do 80% energii optymalnego panelu skierowanego na południe. Kierunek panelu słonecznego za pomocą narzędzia kodu pocztowego potwierdza prawdziwe południe dla dowolnej lokalizacji, biorąc pod uwagę czynniki lokalne.

8. Jaka jest różnica między słupem solarnym a konwencjonalnym słupem oświetleniowym z przyłączem do zasilania energią słoneczną?

Słup słoneczny to w pełni zintegrowany, samodzielny system oświetleniowy, w którym panel słoneczny, bateria, kontroler i oprawa zostały zaprojektowane i skonstruowane tak, aby działały razem jako pojedynczy system, a konstrukcja słupa została zaprojektowana tak, aby przenosić obciążenie wiatrem panelu słonecznego i integrować komorę baterii z podstawą słupa lub specjalnie zaprojektowaną obudową. Konwencjonalny słup oświetleniowy z oddzielnym przyłączem do zasilania energią słoneczną to układ hybrydowy, w którym słup został pierwotnie zaprojektowany do podłączenia do sieci, a po namyśle dodano panel słoneczny, często z montowaną powierzchniowo skrzynką na baterie i kontrolerem ładowania, które mogą nie być strukturalnie zintegrowane lub optymalnie dobrane pod kątem położenia geograficznego słupa i wymagań dotyczących natężenia oświetlenia. Specjalnie zbudowane słupy słoneczne zapewniają lepszą wydajność, lepszą estetykę i dłuższą żywotność niż przerobione konwencjonalne słupy w większości zastosowań.

9. Czy słupy słoneczne mogą działać niezawodnie w północnych stanach, gdzie jest mniej słońca?

Słupy słoneczne mogą niezawodnie pracować w północnych stanach, w tym w Minnesocie, Wisconsin, Michigan i na północno-zachodnim wybrzeżu Pacyfiku, ale muszą być odpowiednio dobrane w zależności od niższych zimowych zasobów energii słonecznej w tych lokalizacjach. Kluczowe adaptacje projektowe instalacji na północnym biegunie słonecznym obejmują: większą pojemność paneli słonecznych w celu wychwytywania odpowiedniej energii podczas krótkich zimowych dni (zwiększenie stosunku panelu do obciążenia z 1,2 do 1,5 typowego dla instalacji południowych do 2,0 do 3,0 lub więcej); większa pojemność baterii zapewniająca wymaganą wielodniową autonomię podczas dłuższych okresów pochmurnych; adaptacyjne sterowniki ściemniania, które zmniejszają moc oprawy w okresach niskich zasobów w celu zwiększenia autonomii; oraz staranna optymalizacja optymalnego kąta dla paneli słonecznych, aby nadać priorytet pozyskiwaniu energii w zimie poprzez nachylenie panelu bardziej stromo niż kąt szerokości geograficznej, akceptując pewne zmniejszenie wydajności w lecie w zamian za lepszą wydajność w zimie.

10. Jak obciążenie wiatrem wpływa na konstrukcję słupa fotowoltaicznego w porównaniu z konwencjonalnymi słupami oświetleniowymi?

Obciążenie wiatrem na słupie słonecznym jest znacznie wyższe niż na konwencjonalnym słupie oświetleniowym o równoważnej wysokości, ponieważ panel słoneczny zamontowany na słupie działa jak żagiel, generując znaczną siłę boczną, gdy wiatr wieje prostopadle do czoła panelu. Monokrystaliczny panel słoneczny o mocy 200 W i wymiarach około 1,0 na 1,7 metra zapewnia przewidywaną powierzchnię 1,7 metra kwadratowego w stosunku do wiatru. Przy projektowej prędkości wiatru wynoszącej 45 m/s (typowa wartość dla strefy wiatrowej kategorii II ASCE 7) ta powierzchnia czołowa panelu generuje siłę wiatru o wartości około 2500 do 3500 Newtonów na wsporniku panelu i górze słupa, której wytrzymałość musi wytrzymać konstrukcja słupa i fundament. To dodatkowe obciążenie zazwyczaj wymaga grubości ściany słupa o 20–40% większej niż konwencjonalny słup o równoważnej wysokości oraz fundamentu o większej głębokości osadzenia lub większej średnicy podstawy betonowej, aby wytrzymać większy moment wywracający na nachyleniu.