Предисловие
Можно ли вырабатывать электроэнергию в дождливые дни?
Это один из самых часто задаваемых мне вопросов о солнечных энергетических системах. Всякий раз, когда клиент проявляет интерес к солнечной энергии, но всё ещё сомневается, установщик часто даёт ожидаемый ответ: «Конечно, она может вырабатывать электроэнергию! Просто эффективность будет немного ниже». Но у клиента всё ещё остаются сомнения: насколько низкой будет эффективность? Сколько пасмурных или дождливых дней в году повлияют на выработку электроэнергии?
Эти вопросы вполне понятны. В конце концов, солнечная электростанция — это значительная инвестиция, и если она практически не вырабатывает электроэнергию в течение длительных периодов облачной или дождливой погоды, то экономическую целесообразность этой инвестиции необходимо пересмотреть. Понимание её фактической производительности в облачные или дождливые дни крайне важно, прежде чем принимать решение об установке солнечной электростанции.
Климат Африки сильно различается: от палящей жары Сахары до круглогодичных дождей в тропических лесах Конго, что приводит к неравномерному распределению ресурсов солнечной энергии. В этой статье я начну с объяснения принципа работы солнечных панелей и продемонстрирую, почему электроэнергия может вырабатываться даже в пасмурные дни. Затем я приведу данные для сравнения, основанные на климатических характеристиках различных регионов Африки, проанализировав влияние пасмурных и дождливых дней в Восточной Африке, Западной Африке, Южной Африке и Северной Африке. Наконец, я предложу несколько стратегий для преодоления этих проблем.
I. Принцип работы фотоэлектрических систем для выработки электроэнергии
Чтобы понять, почему солнечные панели могут вырабатывать электроэнергию даже в пасмурные дни, сначала нужно понять, как именно они это делают. В основе выработки электроэнергии солнечными панелями лежит «фотоэлектрический эффект».
Принцип фотоэлектрического эффекта заключается в следующем: когда фотоны падают на полупроводниковый материал, их энергия поглощается электронами в полупроводнике. Как только электроны получают достаточно энергии, они отрываются от атомного ядра, образуя свободные электронно-дырочные пары. Эти свободные электроны движутся внутри полупроводника, генерируя электрический ток. Это основной принцип работы солнечных панелей для выработки электроэнергии. Для этого процесса не требуется, чтобы солнечный свет был «очень горячим» или «очень сильным»; достаточно лишь того, чтобы фотоны падали на солнечные элементы.
Этот принцип иллюстрирует ключевой момент: солнечные панели вырабатывают электроэнергию на основе фотонов, а не температуры. Некоторые ошибочно полагают, что «чем больше солнце, тем больше электроэнергии оно вырабатывает», но верно обратное — чрезмерная температура фактически снижает эффективность выработки электроэнергии солнечными панелями. В стандартных условиях тестирования эффективность солнечных панелей проверяется при температуре 25 градусов Цельсия. При каждом повышении температуры на 1 градус эффективность выработки электроэнергии снижается примерно на 0,4–0,5%. Поэтому в жарком и сухом регионе Сахары, несмотря на сильный солнечный свет, чрезмерно высокие температуры могут фактически снизить эффективность выработки электроэнергии; в то время как в прохладные, облачные дни, несмотря на более слабый солнечный свет, умеренная температура может привести к более высокой эффективности выработки электроэнергии, чем при интенсивном солнечном свете.
В пасмурные дни солнечный свет проникает сквозь облака и достигает земли, и интенсивность солнечного света снижается. Однако интенсивность солнечного света в пасмурный день не равна нулю. Согласно метеорологическим данным, интенсивность солнечного света в пасмурный день составляет примерно от 10% до 25% от интенсивности солнечного света в солнечный день. Это означает, что интенсивность солнечного света в пасмурный день все еще составляет от одной десятой до одной четверти от интенсивности солнечного света в солнечный день, и солнечные панели не прекращают полностью вырабатывать электроэнергию.
Важно различать прямой и рассеянный солнечный свет. В солнечный день большая часть солнечного света поступает непосредственно от солнца; в пасмурный день количество прямого солнечного света значительно уменьшается из-за облачности и рассеяния, но количество рассеянного солнечного света может даже увеличиться. Солнечные панели могут использовать как прямой, так и рассеянный солнечный свет, но эффективность выработки электроэнергии при использовании рассеянного солнечного света ниже, чем при использовании прямого. Поэтому, хотя выработка электроэнергии значительно снижается в пасмурный день, она не будет равна нулю.
Характеристики пасмурных дней сильно различаются в разных регионах Африки. В Северной Африке, в ее засушливых районах, очень мало пасмурных дней с высокой долей прямого солнечного света; в прибрежных районах Западной Африки, таких как Лагос, чаще встречается дождливая и пасмурная погода; в высокогорных районах Восточной Африки, таких как Найроби, климат относительно мягкий; а бассейн реки Конго является одним из регионов Африки с наибольшим количеством дождливых и пасмурных дней. В большинстве районов Африки выработка электроэнергии бытовыми монокристаллическими кремниевыми солнечными панелями в пасмурные дни составляет примерно от 10% до 30% от выработки в солнечные дни.
II. Реальные данные из различных регионов Африки
Разобравшись в принципах выработки электроэнергии, давайте теперь рассмотрим конкретные данные из разных регионов Африки, касающиеся различий в выработке электроэнергии в пасмурные дни.
Начнём с Северной Африки. Регион Сахары к югу от Египта, Ливии и Алжира может похвастаться самыми богатыми солнечными ресурсами во всей Африке — более 3500 часов солнечного света в год. Солнечная погода преобладает в течение всего года, с очень небольшим количеством облачных или дождливых дней. В этих регионах ежегодные потери выработки электроэнергии из-за облачных или дождливых дней составляют приблизительно от 5% до 10%, что является незначительным влиянием. Система мощностью 5 киловатт в этих районах может генерировать от 25 до 30 кВт·ч в солнечные дни и поддерживать от 5 до 8 кВт·ч в облачные дни. Однако важно отметить, что летние температуры в этих регионах чрезвычайно высоки, и необходимо учитывать влияние высоких температур на эффективность.
Ситуация в Восточной Африке более разнообразна. Горные регионы Кении, Танзании и Эфиопии получают примерно от 2500 до 3000 часов солнечного света в год, что обеспечивает отличные условия для солнечной активности. В качестве примера можно привести Найроби: сезон дождей длится с марта по май и с октября по декабрь. В сезон дождей много облачных дней, но дождь идет не каждый день; обычно это кратковременные ливни. Система мощностью 5 киловатт вырабатывает около 20-25 киловатт-часов в солнечные дни и около 3-8 киловатт-часов в облачные дни. Хотя выработка электроэнергии значительно снижается в сезон дождей, солнечные дни по-прежнему составляют большую часть года, а общие потери из-за дождей и пасмурного неба составляют около 15-20%.
Для прибрежных регионов Западной Африки характерны частые пасмурные и дождливые дни. В прибрежных городах таких стран, как Нигерия, Гана и Кот-д'Ивуар, включая Лагос и Аккру, в течение года выпадает большое количество осадков, примерно от 1800 до 2200 солнечных часов в год. В этих регионах два сезона дождей в году, характеризующиеся частыми и продолжительными ливнями. Система мощностью 5 кВт в этих районах может генерировать около 15-20 кВт·ч электроэнергии в солнечный день, но во время продолжительной пасмурной и дождливой погоды выработка электроэнергии может упасть до 2-5 кВт·ч. Ежегодные потери электроэнергии из-за пасмурной и дождливой погоды оцениваются в 25-35%. В этих условиях установка аккумуляторных батарей становится практически необходимостью.
В Южной Африке ситуация относительно лучше. Большая часть территории Южной Африки получает примерно от 2500 до 3200 часов солнечного света в год, что обеспечивает обилие солнечного света. Осадки в крупных городах, таких как Йоханнесбург и Кейптаун, выпадают преимущественно летом (с ноября по март), а в остальное время года стоит солнечная погода. Энергосистема мощностью 5 киловатт в большинстве районов Южной Африки вырабатывает примерно от 20 до 28 киловатт-часов электроэнергии в солнечные дни и от 3 до 8 киловатт-часов в пасмурные дни. Ежегодные потери из-за дождей и пасмурной погоды составляют примерно от 15% до 25%.
Бассейн реки Конго представляет собой еще одну крайность. Страны, расположенные вдоль экватора, такие как Демократическая Республика Конго, Камерун и Габон, круглый год страдают от высоких температур и обильных осадков, при этом количество солнечных часов в году составляет менее 1200. В таких условиях применение систем, использующих исключительно солнечную энергию, сильно ограничено, и обычно требует использования аккумуляторных батарей большой емкости или дизельных генераторов. Установка солнечных систем в этих регионах требует более консервативных прогнозов выработки электроэнергии и более крупных конфигураций систем хранения энергии.
В целом, большинство африканских стран обладают значительными ресурсами солнечной энергии. В целом, в Африке уровень солнечной радиации выше, чем в большинстве регионов Европы и Азии. Даже в Западной Африке и Конго, регионах с более частыми осадками, солнечная активность лучше, чем в европейских странах, таких как Великобритания и Нидерланды. Ключевым моментом является разработка конфигураций систем и прогнозируемой выработки электроэнергии с учетом специфических климатических характеристик региона.
III. Реальное влияние дождливых дней
Сколько электроэнергии теряется за год? Используя несколько типичных сценариев в качестве примеров, мы оцениваем фактические потери, вызванные дождливыми днями.
Сценарий 1: Найроби, Кения, Восточная Африка, система мощностью 5 кВт. Общая годовая выработка электроэнергии составляет приблизительно 12 000 кВт·ч. В дождливые дни потери составляют около 20%, или приблизительно 2400 кВт·ч. Исходя из местной цены на электроэнергию около 0,15 долларов США за кВт·ч (цена на электроэнергию для жилых домов составляет около 0,1–0,2 долларов США), годовые потери составляют около 360 долларов США. Эту цифру необходимо рассматривать в контексте общей выгоды — цены на электроэнергию в Найроби высоки, а солнечная энергия позволяет сэкономить около 0,15 долларов США за кВт·ч, что приводит к годовой экономии около 1800 долларов США. На дождливые дни приходится около 20% от общей экономии.
Сценарий 2: В Лагосе, Нигерия, система мощностью 5 кВт вырабатывает примерно 9000 кВт·ч электроэнергии в год. Дождливая погода приводит к потерям около 30%, или примерно 2700 кВт·ч. При цене электроэнергии в Лагосе около 0,08 доллара за кВт·ч это означает ежегодные потери в размере около 216 долларов. Хотя экономия средств от использования солнечной энергии относительно невелика из-за низкой местной цены на электроэнергию, ненадежность местной электросети и частые отключения электроэнергии означают, что ценность гарантии электроснабжения, обеспечиваемой солнечной системой, значительно перевешивает экономию средств.
Сценарий 3: Йоханнесбург, Южная Африка. Система мощностью 5 кВт вырабатывает примерно 14 000 кВт·ч электроэнергии в год. Потери из-за осадков составляют около 15%, или приблизительно 2100 кВт·ч. При местных ценах на электроэнергию для жилых домов около 0,12 долларов США за кВт·ч, годовые потери составляют около 252 долларов США. В Южной Африке много солнечных дней и высокая выработка электроэнергии; даже после вычета потерь из-за осадков, доход все равно остается значительным.
Эти расчеты показывают, что влияние облачной и дождливой погоды относительно невелико в Северной и Южной Африке, но значительно больше в регионах тропических лесов. Однако даже в районах с наибольшим количеством облачных и дождливых дней производительность солнечных энергосистем остается высокой большую часть времени. Потери, вызванные облачной и дождливой погодой, в большинстве случаев приемлемы; ключевым моментом является учет этого фактора на этапе проектирования системы.
Установка аккумуляторных батарей — наиболее эффективный способ справиться с дождливыми днями. В районах с частыми дождями рекомендуется устанавливать аккумуляторные батареи с запасом энергии как минимум на два-три дня, чтобы обеспечить наличие электроэнергии в периоды непрерывных дождей. Конечно, использование аккумуляторных батарей значительно увеличит стоимость системы, которую необходимо учитывать, исходя из реальных потребностей и бюджета.
IV. Как справляться с неблагоприятными погодными условиями
Практические рекомендации по повышению выработки электроэнергии солнечными электростанциями в Африке: Хотя облачные и дождливые дни влияют на выработку солнечной энергии, можно предпринять определенные меры для минимизации этого влияния и повышения общей эффективности системы.
Поддержание солнечных панелей в чистоте — это самая основная и важная мера. Во многих частях Африки пыльные бури являются основным фактором, влияющим на выработку электроэнергии. В регионе Сахеля к югу от Сахары частые песчаные бури способствуют накоплению пыли на поверхности солнечных панелей. Если панели своевременно очищать после первого сильного дождя в сезон дождей, выработка электроэнергии может значительно увеличиться. Некоторые установщики рекомендуют устанавливать над солнечными панелями устройства для промывки под низким давлением для регулярной очистки; это небольшие инвестиции, но они дают заметные результаты.
Правильное проектирование мощности системы также имеет решающее значение. В районах с частыми дождливыми днями рекомендуется проектировать мощность системы на 20-30% выше теоретического спроса, основанного на местных данных о солнечном свете. Это обеспечит удовлетворение спроса на электроэнергию даже в сезон дождей. Конечно, это увеличит первоначальные инвестиции, поэтому необходимо найти баланс между затратами и выгодами.
Аккумуляторы для хранения энергии практически незаменимы в таких регионах, как Западная Африка и бассейн реки Конго. Литий-железо-фосфатные батареи рекомендуются из-за их длительного срока службы и высокой безопасности. Исходя из местных исторических данных о количестве дождливых дней, емкость аккумулятора должна быть рассчитана таким образом, чтобы обеспечить удовлетворение основных потребностей домохозяйств в электроэнергии даже в течение длительных периодов дождей. Как правило, рекомендуется рассчитывать емкость батареи на два-три дня использования.
Рассмотрение гибридного энергетического решения также является прагматичным вариантом. В Африке, где энергосеть нестабильна, гибридное решение, сочетающее солнечную энергию, накопители энергии и дизельные генераторы, может сбалансировать преимущества чистой энергии с надежным электроснабжением. Солнечная энергия является основным источником энергии в солнечные дни, накопители энергии дополняют потребление электроэнергии в ночное время, а генераторы включаются для дополнительного электроснабжения в течение длительных периодов облачной или дождливой погоды. Это решение имеет самую высокую стоимость системы, но также и самую высокую надежность и адаптивность.
Наконец, перед покупкой солнечной системы рекомендуется ознакомиться с местными историческими данными о климате и солнечной энергии. Метеорологические или энергетические ведомства многих африканских стран публикуют соответствующие отчеты об оценке солнечной энергии, которые могут помочь более точно спрогнозировать годовую выработку электроэнергии системой и влияние облачных или дождливых дней. Вы также можете проконсультироваться с установщиками, имеющими местный опыт, поскольку они обладают непосредственным опытом и данными о местных климатических условиях и производительности системы.
Заключение
Хотя пасмурные и дождливые дни влияют на выработку электроэнергии солнечными панелями, они не делают солнечную систему бесполезной. Даже в самых дождливых районах солнечные панели могут вырабатывать электроэнергию в пасмурные дни, обычно достигая 10–30% от мощности, вырабатываемой в солнечные дни. Хотя это и небольшой объем электроэнергии, он все же составляет значительное количество чистой электроэнергии в течение года.
Большая часть Африки наслаждается обильным солнечным светом и преимущественно солнечной погодой в течение всего года. Даже на западном побережье Африки и в бассейне реки Конго, где облачные и дождливые дни относительно чаще, условия для солнечной активности лучше, чем многие традиционно считают. Ключевым моментом является разработка конфигурации системы и ожидаемой выработки электроэнергии с учетом специфических климатических характеристик региона до установки солнечной электростанции.
В регионах с частыми дождями внедрение аккумуляторных батарей является важным средством повышения эффективности использования энергосистемы. Они позволяют накапливать избыточную электроэнергию в солнечные дни и использовать ее в дождливые, обеспечивая удовлетворение основных потребностей в электроэнергии. Хотя использование аккумуляторных батарей увеличивает первоначальные инвестиции, в долгосрочной перспективе эти инвестиции оправданы.
Надеемся, эта статья поможет читателям в Африке лучше понять реальную эффективность солнечных энергосистем в пасмурные или дождливые дни, что позволит им принимать более обоснованные решения об установке. Независимо от того, находитесь ли вы на краю Сахары в Северной Африке, на влажном побережье Западной Африки или в высокогорных районах Восточной Африки, солнечная энергия может стать отличным вариантом для улучшения условий жизни и работы.
Пожалуйста, свяжитесь с Саймоном как можно скорее, чтобы обсудить ваш проект:
• WeChat: TY530643572
• Телефон: +86 137 1166 0041
