Hur påverkar väderförhållanden och systemdesign solenergisystemens effektivitet?

En analys av väderdata och systemprestanda ger en tydlig inblick i de faktorer som påverkar solenergisystem, särskilt de integrerade solpanelerna (BIPV), som ofta används i byggnader för att utnyttja både solenergi och byggnadsdesign på ett effektivt sätt. Från ett klimatperspektiv är det viktigt att förstå hur extremväderförhållanden som solstrålning, temperatur, nederbörd och vind påverkar energiutvinningen och hur dessa faktorer kan integreras i designen av solenergisystem för att optimera prestanda.

Data från 2017 till 2020 visar stora variationer i maximala och minimala dagliga värden för solstrålning, temperaturer och vindhastigheter. Den högsta uppmätta dagliga solstrålningen var 8364,0 mWh/sq.cm, vilket visar på den stora potentialen för solenergi vid optimala förhållanden. Samtidigt, under perioder med minimala strålningsvärden, som ibland låg på så lågt som 360 mWh/sq.cm, minskar potentialen för energiutvinning dramatiskt, vilket innebär att systemens prestanda kan variera avsevärt beroende på väderförhållanden.

Vindhastigheten, som varierade från 2,1 till 16,4 knop under de studerade åren, påverkar också solpanelernas prestanda. Vind hjälper till att hålla panelerna svalare genom att transportera bort överskottsvärme, men samtidigt kan kraftiga vindar orsaka skador om inte panelerna är ordentligt säkrade. Ett balanserat system för att hantera både vindens och temperaturens effekter på panelerna är därför väsentligt för att maximera systemets livslängd och effektivitet.

För att uppnå högsta möjliga energiutvinning är det inte bara viktigt att förstå de årliga variationerna i väderförhållandena utan också att designa solenergisystem som kan anpassa sig till dessa förändringar. Detta innebär att faktorer som lutning, orientering och det valda materialet för byggintegrerade solpaneler måste beaktas noggrant. Till exempel har forskning visat att tak med flackare lutning tenderar att prestera bättre än väggpaneler, och sydvända fasader ger bättre resultat än nordvända.

Därför spelar systemets konstruktion en avgörande roll för att maximera energiproduktionen. BIPV-system måste också ta hänsyn till lokala klimatförhållanden och vädermönster för att designas för långsiktig hållbarhet och effektivitet. En annan viktig aspekt av systemdesignen är den valda teknologin för panelerna, som kan variera beroende på om systemet är anslutet till elnätet eller är fristående. För system som är anslutna till nätet måste ytterligare mätvärden, såsom effektnivåer och harmoniska komponenter, övervakas för att säkerställa att energiutvinningen är av hög kvalitet.

Ytterligare forskning har visat att även den geometriska designen av solpaneler kan påverka deras effektivitet. Till exempel fann en studie att paneler som utnyttjar vinklar som maximerar solens infall har en högre årlig elproduktion än paneler som är installerade på väggar utan optimal lutning. I samma linje har studier om solskydd och solpaneler visat att slattens inbördes skuggning och avstånd mellan solpanelerna också är avgörande för att maximera systemets årliga produktion.

För att förbättra effektiviteten ytterligare bör system också implementera tekniker för att hantera solpanelernas termiska egenskaper, som användning av fasändringsmaterial (PCM) för att hålla temperaturerna inom ett optimalt intervall. Dessa system kan anpassas beroende på det lokala klimatet, som i Taiwan, där användning av PCM med specifika smältpunkter resulterade i betydande förbättringar av både den elektriska och termiska prestandan hos BIPV-system.

Sammanfattningsvis måste det finnas en helhetssyn på hur både externa klimatfaktorer och inre systemdesign samverkar för att optimera BIPV-systemens effektivitet. Detta inkluderar att noggrant utvärdera väderdata för att förstå de specifika behoven för varje installation samt att använda den senaste tekniken för att hantera både termiska och elektriska prestandafrågor. Förutom att övervaka solstrålning och temperatur är det också viktigt att beakta vindförhållanden, nederbörd och andra externa faktorer som kan påverka systemets långsiktiga hållbarhet och effektivitet.

Hur kan solenergi i växthus effektivt minska energiförbrukningen?

Vid Murdoch University Solar Greenhouse, en del av deras avancerade forskning om solenergi, har en unik installation av ClearVue solfönster visat på imponerande resultat när det gäller att minska växthusens totala energiförbrukning. Under 2021 och 2022 genomfördes kontinuerliga mätningar av den energi som samlades upp via solfönster och dess prestanda jämfördes med en traditionell solcellsinstallation på taket. Trots att solfönstren är installerade på vertikala väggar, där effektiviteten vid traditionella installationer normalt är lägre, lyckades dessa enheter inte bara matcha, utan vid vissa tillfällen till och med överträffa, taksolcellssystemet.

Solfönstren på Murdoch University's växthus samlade in solenergi på ett överraskande effektivt sätt, även under ogynnsamma väderförhållanden, som regniga vinterdagar. Detta berodde på fönstrens design, som tillåter dem att fånga inkommande solenergi från ett brett spektrum av infallsvinklar. Det resulterande energiproduktionen var betydande – under vintermånaderna 2021 producerade växthuset nästan 19 kWh per dag. Detta gav en 40-procentig självförsörjning på energi för växthusets odlingsrum, en imponerande prestation för en grönväxthusanläggning som annars är beroende av extern strömförsörjning.

Under samma period uppmättes energiutgifterna i olika växthusrum som var utrustade med ClearVue solfönster. Rummet som använde traditionella glasfönster, där solens värmeinsläpp var betydligt högre, använde elektricitet i mycket högre grad än de rum som var utrustade med de solenergiutvinnande fönstren. I synnerhet var de växthusrum som utrustades med ClearVue solfönster nära 40% självförsörjande på energi, vilket visade på potentialen för solenergi i växthus för att kraftigt reducera behovet av externa energikällor.

Denna typ av installation är särskilt användbar i områden med variabelt klimat, som Perth, där väderförhållanden kan variera kraftigt. Även under de regnigaste vintermånaderna var solfönstrens prestanda konsekvent tillräcklig för att förse växthuset med en stor del av den energi som behövdes för att upprätthålla växternas tillväxtmiljö. Den största utmaningen som observerades var dock begränsningar i den maximala effektutmatningen från de använda mikroinvertersystemen, särskilt under sommarmånaderna.

För att maximera effekten av solfönster i växthus och uppnå ännu högre nivåer av energioberoende är det viktigt att beakta flera faktorer. Förutom den tekniska installationen av solfönstren bör även ytterligare optimering av växthusets klimatsystem, såsom temperaturreglering och luftcirkulation, beaktas. Det är också värt att notera att solfönsterinstallationer på vertikala ytor, där solens infallsvinkel inte alltid är optimal, kan ge avvikelser från modellerade prestanda, vilket gör det avgörande att mäta och justera systemets funktion kontinuerligt.

Vidare är det viktigt att förstå att det finns en viss tidsfördröjning i solenergiutvinningens effektivitet beroende på den specifika installationens orientering och lutningsvinklar, vilket gör att varje installation är unik och kräver anpassningar beroende på lokala klimatförhållanden och vädermönster. Regelbundna mätningar och analyser av energiproduktion och förbrukning är nödvändiga för att optimera systemets långsiktiga effektivitet.