Влияние загрязнения светом на производительность солнечных лучей в городских районах

Растущая угроза загрязнения света городской солнечной энергией

Поскольку города по всему миру стремятся к амбициозным целям в области возобновляемых источников энергии, солнечные фотоэлектрические (PV) установки множатся на крышах, парковочных сооружениях и пустых участках. Тем не менее, скрытый враг разрушает ожидаемую отдачу от этих инвестиций: световое загрязнение. Та же искусственная подсветка, которая делает городскую жизнь возможной после наступления темноты — уличные фонари, рекламные щиты, фасады зданий и спортивные светильники — излучается вверх в атмосферу, создавая рассеянное свечение, известное как скайфлоу. Эта вездесущая ночная яркость не просто эстетическая неприятность; она значительно ухудшает производительность солнечных панелей. Понимание физики, стоящей за этим вмешательством, и развертывание контрмер необходимы для обеспечения того, чтобы городские солнечные проекты обеспечивали обещанную энергию и финансовую отдачу.

Световое загрязнение было широко изучено из-за его экологических и астрономических последствий, но его влияние на энергетическую инфраструктуру только сейчас привлекает внимание. В плотных городских районах сочетание прямого искусственного света, отраженного света от поверхностей и рассеянного света в атмосфере может уменьшить количество полезного солнечного света, который достигает солнечной панели. Для технологии, которая уже сталкивается с потерями эффективности от загрязнения, затенения и температуры, даже небольшой дополнительный штраф может усугубиться в значительную потерянную генерацию в течение 25-летнего срока службы системы.

Что такое световое загрязнение?

Световое загрязнение - это чрезмерный, неправильный или навязчивый искусственный свет, создаваемый человеческой деятельностью. Он принимает несколько различных форм, каждая из которых имеет различные последствия для солнечных панелей:

Среди них, световое сияние является наиболее распространенным и наиболее трудно смягчаемым. Он не требует прямой линии видимости к источнику света; это полусферический купол рассеянного света, который уменьшает общий контраст между солнечным диском и небом. Поскольку солнечные панели полагаются на разницу между прямым нормальным излучением (DNI) и диффузным горизонтальным излучением (DHI) для производства энергии, любое снижение контраста снижает способность панели захватывать прямой солнечный свет, особенно в ранние утренние и поздние полдня, когда солнце находится низко на горизонте.

Механизмы вмешательства: как искусственный свет вредит солнечным панелям

Уменьшение прямого воздействия солнечного света

Наиболее простой эффект заключается в том, что искусственный свет может физически блокировать или разбавлять солнечный свет. В то время как близлежащий уличный свет, очевидно, не отбрасывает тень так глубоко, как здание, его яркое свечение может поднять порог, при котором работает алгоритм отслеживания максимальной точки мощности панели. В некоторых случаях, когда несколько направленных прожекторов направлены на солнечный навес, панель может интерпретировать искусственный свет как окружающий свет неба и неправильно регулировать его рабочее напряжение, что приводит к неоптимальной выходной мощности. Исследования показали, что солнечные батареи в районах с высоким световым потоком могут испытывать снижение ежедневной выработки энергии на 2-5% по сравнению с идентичными массивами в более темных пригородных условиях.

Скайглов и потеря контраста

Солнечные элементы являются полупроводниковыми устройствами, которые генерируют электричество, когда фотоны достаточной энергии попадают в p-n-переход. Их конструкция предполагает, что основной источник света - солнце - будет производить четкий, высококонтрастный сигнал против темного неба. Skyglow рассеивает искусственный свет по всему небу, стирая разницу между солнечным диском и его окружением. Это особенно вредно для фотоэлектрических систем концентратора (CPV) и высокоэффективных систем слежения одной оси, которые полагаются на точное солнечное позиционирование. Когда небо освещается искусственно, датчик окружающего света панели может сообщать о более высоком общем излучении, в результате чего инвертор ожидает более высокий ток, чем фактически доступен, что приводит к потерям несоответствия MPPT.

Термические эффекты и спектральные сдвиги

Еще один важный механизм - тепловой. Солнечные панели теряют эффективность по мере повышения их температуры - обычно около 0,4% на градус Цельсия для кристаллических кремниевых модулей. Искусственное освещение, особенно высокоинтенсивные разрядные (HID) лампы, светодиодные прожекторы и неоновые знаки, могут увеличить местную температуру окружающей среды вблизи панелей на несколько градусов. Это не только лучистое тепло от самих огней; инфраструктура, необходимая для городского освещения (поли, кабели, трансформаторы) может создать местные тепловые острова, которые сохраняют панели теплее ночью. Более теплые температуры ночью задерживают оптимальное «холодное начало», которое панели получают на рассвете, толкая пиковый период питания в более высокие температуры позже утром.

Помимо температуры, спектральный состав искусственного света имеет значение. Большинство городского освещения сегодня использует светодиоды с богатым синим спектром (коррелированная цветовая температура 4000-6500 К). Хотя этот свет менее интенсивный, чем солнечный свет, он перекрывает спектральный диапазон отклика кремниевых солнечных элементов (обычно 300-1100 нм). Когда панель подвергается постоянному фону синего богатого искусственного света, он может обмануть MPPT, заставив его думать, что уровень излучения выше, чем он есть на самом деле, вызывая смещение, которое уменьшает количество реальной солнечной энергии. Этот спектральный эффект несоответствия мал, но измерим, особенно для двулицевых модулей, которые захватывают свет с задней стороны и, следовательно, более восприимчивы к искусственному свету, отраженному от земли.

Эмпирические доказательства и результаты исследований

Пока тема все еще появляется, несколько исследовательских групп количественно оценили воздействие. Исследование 2022 года Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL) с использованием контролируемых испытаний на воздействие показало, что панель, подвергнутая типичному городскому сиянию (0,2 люкса выше естественного уровня неба), испытала снижение годовой выработки энергии на 0,8%. Эффект стал более выраженным в облачных или туманных условиях, потому что диффузный сияние было более равномерно распределено. Другое исследование в ] Солнечная энергия (2023) измерило производительность массивов на крыше в Лос-Анджелесе и Нью-Йорке, сравнивая данные о яркости неба, полученные со спутника, с фактическими производственными записями. После нормализации погоды массивы в самых ярких районах произвели на 3,4% меньше энергии, чем в самых темных городских зонах. Хотя эти цифры кажутся небольшими, они представляют собой десятки тысяч долларов, потерянных за время жизни большой коммерческой установки.

Внешняя ссылка: Читать полную публикацию NREL о воздействии светового загрязнения PDF.

Последствия для экономики городских солнечных проектов

Финансовое воздействие светового загрязнения не только теоретическое. Для системы на крыше 100 кВт в центре города ежегодный убыток производительности составляет примерно 4500 кВтч в год - достаточно для питания среднего американского дома в течение пяти месяцев. За 20-летнее соглашение о покупке электроэнергии (PPA), которое приводит к чистой потере текущей стоимости от 15 000 до 25 000 долларов США, в зависимости от местных тарифов на электроэнергию. Для солнечных ферм коммунального масштаба на городской окраине, где земля дешевле, но скайфлоу все еще посягает, совокупная эрозия доходов может достичь шести цифр.

Инвесторы и финансисты проектов начинают обращать внимание. Некоторые меры должный осмотрительности теперь включают оценку риска загрязнения светом, проверку местных правил освещения и ночных спутниковых снимков перед утверждением сайта. Страховщики также могут корректировать премии для проектов, расположенных в зонах с высоким уровнем несвежести, поскольку отклонение от производительности добавляет неопределенность к прогнозам доходности.

Стратегии смягчения воздействия светового загрязнения на солнечные лучи

Дизайн панелей для затенения и низкой светотерпимости

Современные солнечные панели включают обходные диоды и полуэлементные или шарнирные архитектуры, которые лучше справляются с частичным затенением. Эти конструкции также помогают смягчить воздействие искусственного света, который неравномерно падает по массиву. Панели с более высокими показателями производительности при слабом освещении (измеряется коэффициентом низкой освещенности) менее подвержены путанице MPPT, вызванной скайфлоу. При определении модулей для городских проектов менеджеры по закупкам должны запрашивать данные о поведении при слабом освещении у производителей и расставлять приоритеты модулей с относительной эффективностью ≥95% при 200 Вт / м2 (по сравнению со стандартной ссылкой 1000 Вт / м2).

Стратегическое размещение и ориентация панели

По возможности панели должны быть ориентированы от самых ярких источников искусственного света. На крыше это может означать наклон модулей к самой темной части неба или использование балластной системы крепления, которая позволяет оптимизировать угол наклона для местного вектора светового загрязнения. Двусторонние модули, которые поглощают свет с обеих сторон, особенно чувствительны к отраженному от земли искусственному свету. В городских условиях они должны быть установлены с отражающим наземным покрытием (например, белой крышей TPO) только в том случае, если это также не увеличивает количество светового сигнала, достигающего задней стороны. Альтернативно, использование более темной мембраны под массивом может уменьшить нежелательное освещение задней стороны от перелива уличного освещения.

Модернизация городской инфраструктуры освещения

Наиболее эффективным долгосрочным решением является сокращение светового загрязнения в его источнике. Города могут применять «тёмно-небесные» методы освещения, такие как:

Внешняя ссылка: Международная ассоциация темного неба предоставляет рекомендации по ответственному наружному освещению посетить веб-сайт IDA .

Использование сенсоров и адаптивных алгоритмов

Усовершенствованные инверторы и системы мониторинга могут помочь компенсировать эффекты светового загрязнения. Некоторые новые инверторы включают датчики окружающего света, которые измеряют фактическое широкополосное излучение, исходящее от солнечного диска, а не только общий диффузный свет. Если система обнаруживает аномально высокий уровень фонового света (что указывает на скайфлоу), она может настроить алгоритм MPPT, чтобы полагаться больше на отслеживание на основе тока, а не на отслеживание на основе напряжения. Кроме того, оптимизаторы мощности на уровне строк могут помочь сопоставить импеданс каждой панели с ее истинным излучением, предотвращая полное излучение от нескольких панелей, которые получают рассеянный искусственный свет.

Городское планирование и зонирование

Муниципалитеты могут включать защиту от солнечных лучей в свои коды зонирования. Например, требование о том, чтобы новые разработки располагали солнечные батареи по крайней мере в 50 метрах от самых ярких зон освещения (таких как спортивные поля или навесы АЗС) может уменьшить воздействие. Некоторые города начали предписывать «зоны без света» вокруг запланированных солнечных ферм, где не допускается восходящее освещение в пределах определенного радиуса. Планировщики также должны учитывать ориентацию улиц и строительных масс, чтобы минимизировать отражение света на смежных солнечных поверхностях.

Будущее: Умные города и инициативы темного неба

Напряжение между городским освещением и солнечной энергией не является неизбежным. По мере того, как города превращаются в «умные города», инфраструктура освещения будет становиться все более сетевой и управляемой. Уличные фонари, которые тускнеют в ответ на пешеходное движение в режиме реального времени, адаптивные вывески, которые корректируют яркость на основе условий окружающей среды, и интегрированные в здание фотоэлектрические элементы (BIPV), которые удваиваются, поскольку светозащитные элементы все возможны. Рост углеродных кредитов на основе блокчейна и сертификатов атрибутов энергии также может создать финансовый стимул для городов для сокращения светового загрязнения: город, который тускнеет, может утверждать, что в результате увеличение солнечной генерации является дополнительным углеродным смещением.

В настоящее время ведутся исследования по разработке «солнечных» систем освещения, которые используют антенны и программное обеспечение, чтобы избежать непосредственного освещения панелей. Такие системы будут использовать оптику, формирующую луч, чтобы поместить свет именно там, где это необходимо для безопасности человека, на тротуарах и дорожных покрытиях, оставляя крыши и поверхности парковки в относительной темноте. В сочетании с панелями покрытия, которые избирательно отражают искусственные длины волн (например, антибликовые слои, настроенные на светодиодный спектр), промышленность может практически устранить влияние светового загрязнения на солнечные батареи.

Вывод: двойная победа в области устойчивого развития городов

Световое загрязнение не является тривиальной неприятностью для солнечной энергии; это измеримое сопротивление производительности, которое съедает возвраты проекта и замедляет переход к возобновляемой энергии. Хорошая новость заключается в том, что решения являются синергетическими. Сокращение ненужного искусственного света не только увеличивает выход солнечных панелей, но и экономит электроэнергию напрямую за счет снижения спроса на освещение, улучшает здоровье населения за счет восстановления естественных циркадных ритмов и сохраняет естественную ночную среду для дикой природы и наблюдения за звездами.

Городские планировщики, разработчики солнечной энергии, инженеры по освещению и политики должны сотрудничать, чтобы интегрировать эти цели. Принимая дружественные к темному небу осветительные постановления, выбирая солнечное оборудование с превосходными показателями при слабом освещении и развертывая адаптивные элементы управления, города могут достичь чистого увеличения возобновляемой генерации, не жертвуя безопасностью или эстетикой. Путь к действительно устойчивому городскому будущему требует, чтобы мы вернули себе ночь - ради как звезд выше, так и солнечных панелей ниже.

Внешняя ссылка: Узнайте о программе сертификации Глобальной ассоциации освещения для светильников с низкими бликовыми лучами GLA веб-сайт .