Πώς να μεγιστοποιήσετε την ηλιακή ισχύ εκεί που ο ήλιος δεν λάμπει σχεδόν καθόλου

Η ηλεκτρική ενέργεια από ηλιακά φωτοβολταϊκά (PV) είναι η ταχύτερα αναπτυσσόμενη πηγή νέας ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως. Η ανάπτυξη οφείλεται στη δραματική μείωση του κόστους των φωτοβολταϊκών τα τελευταία χρόνια και στην αυξανόμενη ζήτηση για καθαρή, ανανεώσιμη ενέργεια.
Ωστόσο, η μετάβαση από τα ορυκτά καύσιμα σε μια εντελώς καθαρή, ανανεώσιμη ενεργειακή οικονομία απαιτεί τεράστια επέκταση των φωτοβολταϊκών και άλλων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας πέρα από αυτό που έχει εγκατασταθεί μέχρι σήμερα. Τα οφέλη μιας τέτοιας επέκτασης είναι να εξαλειφθούν 4-7 εκατομμύρια θάνατοι ετησίως παγκοσμίως από την ατμοσφαιρική ρύπανση από ορυκτά καύσιμα και βιοκαύσιμα, να αποφευχθεί η καταστροφική υπερθέρμανση του πλανήτη και να αποφευχθεί η κοινωνική και πολιτική αστάθεια που προκύπτει από τη σταδιακή εξάντληση των ορυκτών καυσίμων.
Η επέκταση των ηλιακών φωτοβολταϊκών σε χώρες των τροπικών και υποτροπικών, που εκτίθενται σε πολύ άμεσο ηλιακό φως, είναι λογική για τους περισσότερους ανθρώπους. Ωστόσο, η επέκταση σε μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη, όπως ο Καναδάς, η Βόρεια Ευρώπη, η Γροιλανδία, η Ισλανδία, η Βόρεια Ρωσία και η Αλάσκα, έχει συναντήσει περισσότερο σκεπτικισμό. Ο λόγος είναι ότι τα μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη λαμβάνουν λιγότερο άμεσο ηλιακό φως κατά τη διάρκεια του έτους από τα χαμηλότερα γεωγραφικά πλάτη. Ωστόσο, ανατρέποντας τα φωτοβολταϊκά πάνελ ή σχεδιάζοντάς τα για να παρακολουθούν τον ήλιο με την πάροδο του χρόνου, τα ηλιακά φωτοβολταϊκά πάνελ μπορούν να δέχονται πολύ περισσότερο ηλιακό φως από ό,τι αν βρίσκονται στο έδαφος.
Ο κύριος σκοπός αυτής της μελέτης, που δημοσιεύτηκε νωρίτερα αυτό το έτος στο περιοδικό, Solar Energy , επρόκειτο να ποσοτικοποιήσει, παγκοσμίως, τη βελτίωση της ηλιακής φωτοβολταϊκής παραγωγής με κεκλιμένα και ιχνηλατούμενα πάνελ σε σχέση με οριζόντια πάνελ. Σχεδόν όλα τα ηλιακά φωτοβολταϊκά πάνελ που είναι εγκατεστημένα σε στέγες έχουν και θα συνεχίσουν στο μέλλον να έχουν σταθερή γωνία κλίσης, επομένως δεν θα περιστρέφονται. Τα πάνελ σε μεγάλα ηλιακά φωτοβολταϊκά εργοστάσια θα έχουν είτε σταθερές γωνίες κλίσης είτε περιστρεφόμενα. Ένας άλλος σκοπός της μελέτης ήταν ο υπολογισμός της ιδανικής ή βέλτιστης γωνίας κλίσης των πάνελ σταθερής κλίσης σε κάθε χώρα του κόσμου.
Οι βέλτιστες γωνίες κλίσης προέκυψαν από το πρόγραμμα παρακολούθησης ηλιακής ενέργειας PVWatts του Εθνικού Εργαστηρίου Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας για κάθε χώρα. Για μεγάλες χώρες, υπολογίστηκαν οι βέλτιστες γωνίες κλίσης σε διάφορα μέρη της χώρας.
Οι βέλτιστες γωνίες κλίσης χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια ως είσοδος στο παγκόσμιο τρισδιάστατο μοντέλο υπολογιστή για το κλίμα, GATOR-GCMOM (Αέριο, Αεροζόλ, Μεταφορά, Ακτινοβολία, Γενική Κυκλοφορία, Μεσοκλίμακα και Μοντέλο Ωκεανού) για την εκτίμηση του προσπίπτοντος ηλιακού φωτός που προσπίπτει σε βέλτιστα κεκλιμένα πάνελ. Πίνακες κάθετα ερπυστριοφόρου 1 άξονα (σταθερά στην κατεύθυνση ανατολής-δύσης αλλά περιστρεφόμενα από νότο προς βορρά γύρω από έναν οριζόντιο άξονα), πάνελ 1 άξονα με οριζόντια ερπύρωση (σταθεροποιημένα στη διεύθυνση νότου-βορρά με βέλτιστη γωνία κλίσης αλλά περιστρεφόμενα ανατολικά- προς τα δυτικά γύρω από έναν κατακόρυφο άξονα) και ιχνηλάτες 2 αξόνων (παρακολουθώντας τον ήλιο ακριβώς προς όλες τις κατευθύνσεις).
Η προσπίπτουσα ακτινοβολία σε κάθε περίπτωση συγκρίθηκε στη συνέχεια με αυτή με ένα επίπεδο, οριζόντιο πλαίσιο στην επιφάνεια της Γης. Σε παγκόσμιο και ετήσιο μέσο όρο το 2050, οι αναλογίες ήταν ~1,19, ~1,22, ~1,35 και ~1,39, αντίστοιχα. Με άλλα λόγια, για παράδειγμα, τα πάνελ με βέλτιστη κλίση δέχονταν κατά μέσο όρο 19% περισσότερο ηλιακό φως από τα οριζόντια πάνελ. Τα πάνελ που παρακολουθούσαν τέλεια τον ήλιο (2 άξονες) έλαβαν 39% περισσότερο ηλιακό φως από τα οριζόντια πάνελ. Ωστόσο, σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη, οι αναλογίες ήταν πολύ υψηλότερες. Για παράδειγμα, στις 50° βόρεια (κοντά στις Βρυξέλλες, την Πράγα, το Κίεβο και το Γουίνιπεγκ), ήταν όλα στην περιοχή 1,3-1,5. Στις 60° βόρεια (κοντά στο Ελσίνκι, το Όσλο και το Άνκορατζ), ήταν 1,4-1,6. Στις 70° βόρεια (κοντά σε Nuorgam, Alta και Hammerfest), ήταν 1,5-1,8. Στις 80° βόρεια (κοντά στο Eureka και στο Nord), ήταν 2,1-2,4.
Η μελέτη διαπίστωσε επίσης ότι οι οριζόντιες ιχνηλάτες 1-άξονα δέχθηκαν μόνο 1-3% λιγότερο ηλιακό φως από ό,τι οι πίνακες παρακολούθησης 2 αξόνων σε όλα τα γεωγραφικά πλάτη. Ως εκ τούτου, η χρήση της παρακολούθησης 2 αξόνων, η οποία είναι πιο περίπλοκη, δεν είναι απαραίτητη στα περισσότερα μέρη.
Επιπλέον, η οριζόντια παρακολούθηση 1 άξονα παρείχε πολύ μεγαλύτερη απόδοση από την κατακόρυφη παρακολούθηση 1 άξονα κάτω από τα 65 N και S, ενώ η έξοδος ήταν παρόμοια αλλού. Η παρακολούθηση οποιουδήποτε είδους παρείχε μικρό όφελος έναντι της βέλτιστης κλίσης πάνω από 75 Β και 60 Ν. Για αναφορά, η Ισλανδία, της οποίας τα νότια σύνορα είναι το πιο βόρειο από οποιαδήποτε χώρα στον κόσμο, βρίσκεται στα 65 Β.
Τα οφέλη τόσο της κλίσης όσο και της παρακολούθησης γενικά αυξάνονται με την αύξηση του γεωγραφικού πλάτους. Στην πραγματικότητα, παραδόξως, κατά μέσο όρο ετησίως, περισσότερο ηλιακό φως φθάνει σε κεκλιμένα ή παρακολουθούμενα πάνελ από 80-90 S (πάνω από τον Νότιο Πόλο) από οποιοδήποτε άλλο γεωγραφικό πλάτος.
Ένα άλλο εύρημα ήταν ότι η κλίση και η παρακολούθηση ωφελούν περισσότερο τις πόλεις σε ένα δεδομένο γεωγραφικό πλάτος με λιγότερα αεροζόλ και κάλυψη νέφους από ό,τι οι πόλεις με περισσότερο αεροζόλ και κάλυψη νεφών σε αυτό το γεωγραφικό πλάτος.
Συνολικά, για βέλτιστη ωφέλιμη έξοδο φωτοβολταϊκών, συνιστάται οριζόντια παρακολούθηση 1 άξονα, εκτός από τα υψηλότερα γεωγραφικά πλάτη, όπου αρκεί η βέλτιστη κλίση. Ωστόσο, οι αποφάσεις σχετικά με τη διαμόρφωση του πίνακα απαιτούν επίσης τη γνώση του εξοπλισμού παρακολούθησης και του κόστους γης, τα οποία δεν αξιολογήθηκαν σε αυτή τη μελέτη. Οι εγκαταστάτες θα πρέπει επίσης να υπολογίζουν τις βέλτιστες γωνίες κλίσης για τη θέση τους για μεγαλύτερη ακρίβεια. Τα μοντέλα που αγνοούν τη βέλτιστη κλίση για φωτοβολταϊκά σε οροφή και παρακολούθηση φωτοβολταϊκών υπηρεσιών κοινής ωφέλειας ενδέχεται να υποτιμούν σημαντικά το δυναμικό της χώρας ή του κόσμου.
Το κύριο αποτέλεσμα αυτής της μελέτης είναι ότι υπάρχει τεράστιο δυναμικό για παραγωγή ηλιακών φωτοβολταϊκών, ακόμη και σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη, όπου οι περισσότεροι άνθρωποι πιστεύουν ότι ο ήλιος σχεδόν δεν λάμπει. Με τη σύλληψη του ηλιακού φωτός απευθείας όταν ο ήλιος είναι χαμηλά, ακόμη και κοντά στον ορίζοντα, είναι δυνατό να ενισχυθεί ουσιαστικά η ηλιακή φωτοβολταϊκή έξοδος, καθιστώντας τα Φ/Β βιώσιμα περισσότερο παντού στον κόσμο. Αυτά είναι καλά νέα για τη μελλοντική ζωή στη Γη.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Παγκόσμιες εκτιμήσεις για τις βέλτιστες γωνίες κλίσης των φωτοβολταϊκών και τις αναλογίες του ηλιακού φωτός που προσπίπτει σε κεκλιμένα και παρακολουθούμενα φωτοβολταϊκά πλαίσια σε σχέση με οριζόντια πάνελ, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Solar Energy. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Mark Z. Jacobson και Vijaysinh Jadhav από το Stanford University.