Hướng của tấm pin mặt trời theo mã Zip và góc tối ưu cho tấm pin mặt trời: Hướng dẫn thực hành đầy đủ

Sơ lược về chiều cao cột đèn, loại cột đèn và hướng của bảng điều khiển năng lượng mặt trời

Các cột đèn có chiều dài từ 3 mét (10 feet) dành cho các ứng dụng trong vườn và lối đi dân cư đến 40 mét (130 feet) trở lên đối với việc lắp đặt các nút giao thông đường cao tốc và sân vận động có cột cao. Cột đèn đường tiêu chuẩn thường dài từ 8 đến 12 mét (26 đến 40 feet) dành cho đường dân cư và đường huyết mạch, trong khi cột ở bãi đậu xe dài từ 6 đến 10 mét (20 đến 33 feet). Hiểu được chiều cao chính xác cho từng ứng dụng là điều cần thiết trước khi mua sắm vì chiều cao cột xác định trực tiếp mức độ chiếu sáng trên mặt đất, số lượng cột cần thiết và thông số kỹ thuật nền móng cần thiết để chống lại tải trọng gió ở độ cao nhất định.

Đối với các cột năng lượng mặt trời gắn một Bảng điều khiển năng lượng mặt trời bên cạnh hoặc phía trên một thiết bị chiếu sáng, góc tối ưu cho các tấm pin mặt trời ở lục địa Hoa Kỳ dao động từ khoảng 25 độ ở Florida (vĩ độ 25 đến 30 độ Bắc) đến 47 độ ở Montana và Bắc Dakota (vĩ độ 45 đến 49 độ Bắc). Hướng đúng về phía nam ở Bắc bán cầu đối với việc lắp đặt nghiêng cố định. Đối với bất kỳ mã zip cụ thể nào ở Hoa Kỳ, máy tính PVWatts của Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) cung cấp tài nguyên năng lượng mặt trời chính xác và góc nghiêng tối ưu cho vị trí đó, loại bỏ phỏng đoán khỏi thông số kỹ thuật của Bảng điều khiển Mặt trời trên các Cột Mặt trời.

Hướng dẫn này bao gồm tất cả các chủ đề này một cách chi tiết thực tế: chiều cao cột đèn tiêu chuẩn theo ứng dụng, các loại cột đèn chính và sự khác biệt về mặt kỹ thuật của chúng, cách Cột Mặt trời hoạt động như một hệ thống tích hợp, cách xác định hướng chính xác của tấm pin mặt trời theo mã zip và cách tính toán góc tối ưu cho các tấm pin mặt trời để đạt hiệu suất năng lượng hàng năm tối đa.

Cột đèn cao bao nhiêu: Chiều cao tiêu chuẩn theo ứng dụng

Câu hỏi cột đèn cao bao nhiêu không thể được trả lời bằng một con số duy nhất vì chiều cao lắp đặt chính xác phụ thuộc vào ứng dụng: mức độ chiếu sáng mục tiêu trên mặt đất, khoảng cách giữa các cột, chiều rộng của khu vực được chiếu sáng và phân bố trắc quang của bộ đèn được lắp đặt. Mỗi sự kết hợp của các biến này tạo ra một chiều cao cực tối ưu duy nhất giúp cân bằng độ bao phủ, tính đồng nhất và kiểm soát độ chói.

Chiếu sáng đường phố và lối đi dân cư

Chiếu sáng đường phố khu dân cư sử dụng chiều cao cột ngắn nhất so với bất kỳ ứng dụng đường công cộng nào. Các cột đèn đường dân cư tiêu chuẩn ở Hoa Kỳ và Châu Âu thường 5 đến 8 mét (16 đến 26 feet) cao, với 6 mét là chiều cao được quy định rộng rãi nhất cho đường phố dân cư tiêu chuẩn với chiều rộng lòng đường từ 6 đến 8 mét. Ở độ cao này, đèn đường LED tiêu chuẩn có phân bố trắc quang loại II hoặc loại III cung cấp đủ độ sáng trên lòng đường và lối đi bộ liền kề với khoảng cách giữa các cột từ 25 đến 35 mét.

Hệ thống chiếu sáng lối đi và chỉ dành cho người đi bộ thậm chí còn sử dụng các cột ngắn hơn, thường là 3 đến 5 mét (10 đến 16 feet) , bởi vì độ chiếu sáng mục tiêu cho khu vực dành cho người đi bộ thấp hơn so với đường dành cho xe cộ và vì chiều cao lắp đặt thấp hơn mang lại môi trường thị giác thân mật, có quy mô con người hơn, thích hợp cho công viên, quảng trường và vườn dân cư. Các thiết bị chiếu sáng cột dọc kiểu cột có chiều cao từ 0,6 đến 1,2 mét xác định điểm thấp nhất của loại đèn chiếu sáng lối đi và được sử dụng chủ yếu để phân định ranh giới cạnh thay vì chiếu sáng chung.

Chiếu sáng đường thương mại và đường huyết mạch

Đường thương mại, đường huyết mạch và đường thu gom đô thị yêu cầu chiều cao lắp đặt cao hơn đường dân cư để cung cấp đủ độ chiếu sáng trên các tuyến đường rộng hơn và duy trì tỷ lệ đồng nhất có thể chấp nhận được trên nhiều làn đường. Chiều cao lắp đặt tiêu chuẩn cho chiếu sáng đường phố thương mại và đường huyết mạch là 8 đến 12 mét (26 đến 40 feet) , với 10 mét là chiều cao được chỉ định phổ biến nhất cho đường huyết mạch hai làn có chiều rộng lòng đường từ 10 đến 14 mét.

Đối với đường cao tốc có dải phân cách và đường hai chiều trong đó cột được đặt ở dải phân cách trung tâm và phải chiếu sáng giao thông ở cả hai hướng từ một cột duy nhất, chiều cao lắp đặt tiêu chuẩn tăng lên 12 đến 14 mét (40 đến 46 feet) với cấu hình giá đỡ hai tay giúp kéo dài bộ đèn trên mỗi làn đường. Cấu hình này giúp giảm tổng số cột cho các đoạn đường bị chia cắt khoảng 40% so với lắp một tay bên đường, giảm đáng kể chi phí lắp đặt.

Chiếu sáng bãi đậu xe và khu vực

Cột đèn bãi đậu xe thường 6 đến 10 mét (20 đến 33 feet) cao, với chiều cao cụ thể được chọn dựa trên cách bố trí bãi đậu xe, mức độ chiếu sáng yêu cầu (thường là 10 đến 50 foot nến ở cấp độ tùy thuộc vào yêu cầu an ninh) và sự phân bố trắc quang của đèn. Chiều cao lắp đặt thấp hơn (6 đến 7 mét) phổ biến ở các khu vực đỗ xe dân cư, nơi ưu tiên thiết kế là giảm thiểu sự lan tỏa ánh sáng sang các khu vực lân cận. Chiều cao lắp đặt cao hơn (8 đến 10 mét) được sử dụng trong các khu vực đỗ xe thương mại và bán lẻ, nơi mong muốn khoảng cách giữa các cột rộng hơn để giảm số lượng cột và móng trong một lô đất lớn.

Chiếu sáng thể thao và cột cao

Các cột chiếu sáng sân thể thao dành cho các cơ sở giải trí cộng đồng và trường học có nhiều loại từ 12 đến 20 mét (40 đến 65 feet) để đạt được độ cao lắp đặt cần thiết cho mức độ chiếu sáng cấp chuyên nghiệp trên sân chơi mà không gây chói quá mức cho người chơi nhìn từ trên cao về phía bộ đèn. Các cơ sở thể thao chuyên nghiệp và cấp sân vận động sử dụng kết cấu tháp chuyên dụng tại 20 đến 45 mét (65 đến 150 feet) tùy thuộc vào môn thể thao và mức độ chiếu sáng yêu cầu (lên tới 2.000 lux để phủ sóng truyền hình chất lượng phát sóng các sự kiện lớn).

Các cột chiếu sáng cột cao cho các nút giao thông đường cao tốc, cơ sở cảng, sân đỗ sân bay và các khu công nghiệp lớn có phạm vi từ 20 đến 40 mét (65 đến 130 feet) về chiều cao, với cụm vòng đèn gồm 6 đến 20 bộ đèn trên mỗi cột cùng nhau chiếu sáng các khu vực có diện tích lên tới 30.000 mét vuông từ một vị trí cột duy nhất.

Tham khảo nhanh về chiều cao cột đèn

Các loại cột đèn: Phân loại thực tế

Các loại cột đèn được sử dụng ngày nay trải rộng từ thiết kế gang trang trí truyền thống đến kết cấu thép và nhôm được thiết kế hiện đại, mỗi loại phù hợp với các yêu cầu về thẩm mỹ, kết cấu và chức năng khác nhau. Việc hiểu các loại cột đèn chính cho phép các nhà đầu tư, chính quyền địa phương và chủ sở hữu tài sản điều chỉnh loại cột phù hợp với yêu cầu ứng dụng thay vì mặc định sử dụng tùy chọn quen thuộc nhất hoặc chi phí thấp nhất.

Cột thép thẳng hoặc nhôm côn

Cột đèn tiện ích tiêu chuẩn cho hầu hết các ứng dụng chiếu sáng đường bộ và bãi đậu xe hiện đại là cột thép hoặc nhôm thon thẳng. Các cột này được sản xuất bằng cách cán và hàn thép tấm (đối với mẫu thép mạ kẽm) hoặc ép đùn phôi nhôm (đối với mẫu nhôm) thành dạng côn giảm từ đường kính đế lớn hơn xuống đường kính đầu nhỏ hơn. Phần côn cải thiện hiệu quả kết cấu bằng cách tập trung vật liệu ở nơi ứng suất uốn cao nhất (ở chân đế) và giảm vật liệu ở nơi có ứng suất thấp nhất (ở đầu).

Cột côn bằng thép mạ kẽm là loại cột đèn được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn cầu vì chúng mang lại hiệu suất kết cấu tuyệt vời với chi phí vật liệu trên mỗi mét chiều cao thấp nhất. Mạ kẽm nhúng nóng theo tiêu chuẩn ASTM A123 cung cấp lớp phủ kẽm từ 85 đến 140 micron giúp bảo vệ thép bên dưới trong 20 đến 30 năm trong hầu hết các điều kiện khí quyển trước khi việc sơn lại trở nên cần thiết. Cột nhôm côn có giá cao hơn khoảng 30% đến 50% so với cột thép tương đương nhưng không cần xử lý bề mặt và chống ăn mòn vô thời hạn trong mọi môi trường, trừ môi trường công nghiệp và hàng hải khắc nghiệt nhất, khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên cho việc lắp đặt ven biển.

Cột đèn trang trí và di sản

Cột đèn trang trí được sử dụng ở các khu lịch sử, trung tâm thị trấn, phố mua sắm, quảng trường, công viên và bất kỳ công trình lắp đặt nào mà bản thân cột đèn phải đóng góp vào đặc tính thẩm mỹ của môi trường chứ không phải là một cấu trúc thuần túy mang tính thực dụng. Các vật liệu chính được sử dụng trong các loại cột đèn trang trí và di sản là:

• Gang: Vật liệu cột đèn truyền thống được sử dụng trong chiếu sáng đường phố thời Victoria và thời Edward vẫn được tái tạo cho các dự án bảo tồn di sản và các công trình lắp đặt mới đòi hỏi diện mạo cổ điển đích thực. Các cột đèn bằng gang cực kỳ nặng (thường từ 200 đến 600 kg đối với cột tiêu chuẩn dài 4 mét) và cần được bảo dưỡng sơn thường xuyên để tránh rỉ sét, nhưng mang lại nét đặc trưng trực quan mà vật liệu hiện đại không thể tái tạo được. Chúng có khả năng chống lại các hư hỏng do va đập có thể làm gãy các cột thép hoặc nhôm.
• Nhôm đúc: Các cột đèn trang trí hiện đại tái tạo hình dáng trực quan của các thiết kế gang truyền thống bằng nhôm đúc, nhẹ hơn đáng kể (khoảng 1/3 trọng lượng của gang), có khả năng chống ăn mòn mà không cần sơn và có sẵn bất kỳ màu sơn tĩnh điện nào để linh hoạt trong thiết kế. Cột đèn trang trí bằng nhôm đúc là lựa chọn chủ yếu để lắp đặt hệ thống chiếu sáng đường phố trang trí mới vì chúng mang lại tính thẩm mỹ di sản với các đặc tính vật liệu hiện đại.
• Polyme cốt sợi thủy tinh (FRP): Cột đèn trang trí FRP được sử dụng trong các môi trường ven biển, nhà máy hóa chất và các môi trường ăn mòn khác, nơi ngay cả nhôm cũng yêu cầu bảo trì không thể chấp nhận được và trong các ứng dụng không thể chấp nhận được các thành phần kim loại. Cột FRP có thể được sản xuất với bất kỳ màu sắc và kết cấu bề mặt nào và không có rủi ro ăn mòn trong mọi môi trường khí quyển.

Cột bê tông quay

Cột bê tông kéo sợi là một loại cột đèn chính được sử dụng ở các thị trường đang phát triển và trong một số ứng dụng đường cao tốc có lưu lượng giao thông cao ở các thị trường phát triển, nơi chi phí rất thấp và yêu cầu không cần bảo trì vượt trội hơn những nhược điểm về trọng lượng nặng và tính linh hoạt về mặt thẩm mỹ hạn chế. Cột bê tông ly tâm dự ứng lực được sản xuất bằng cách đổ bê tông vào khuôn hình trụ quay sử dụng lực ly tâm để cố kết hỗn hợp xung quanh lõi dây thép dự ứng lực. Cột kết quả chắc chắn, bền và không cần bảo trì bề mặt nhưng rất nặng, khó vận chuyển đến các địa điểm xa và không thể sơn tĩnh điện hoặc dễ dàng sửa đổi sau khi sản xuất.

Cột thép hình bát giác và tròn cho các ứng dụng thương mại

Đối với các bãi đỗ xe, tài sản thương mại và cơ sở công nghiệp nhẹ, nơi hiệu suất kết cấu vừa phải và chi phí cạnh tranh đều quan trọng, cột thép thẳng hình bát giác được chỉ định rộng rãi. Mặt cắt tám mặt mang lại khả năng chống chịu rung động do gió tốt hơn so với mặt cắt ngang hình tròn có độ dày thành tương đương, vì hình học bát giác phá vỡ sự bong ra của xoáy khiến cho các cột tròn dao động ở tốc độ gió nhất định (một hiện tượng gọi là cộng hưởng xoáy Karman đã gây ra hiện tượng mỏi khi lắp đặt cột tròn ở những vùng có gió lớn).

Các loại cột đèn: Bảng so sánh

Cột năng lượng mặt trời: Cách thức hoạt động của hệ thống chiếu sáng mặt trời tích hợp

Cực mặt trời kết hợp chức năng cấu trúc của cột đèn thông thường với Bảng điều khiển năng lượng mặt trời tích hợp tạo ra năng lượng điện để cấp điện cho đèn, hệ thống pin lưu trữ năng lượng thu được vào ban ngày để sử dụng vào ban đêm và bộ điều khiển thông minh quản lý dòng năng lượng giữa Bảng điều khiển năng lượng mặt trời, pin và đèn để tối đa hóa số giờ chiếu sáng đáng tin cậy bất kể sự thay đổi bức xạ mặt trời hàng ngày.

Các thành phần cốt lõi của hệ thống cực mặt trời

Mỗi hệ thống Cực Mặt trời đều tích hợp các thành phần sau và thông số kỹ thuật của từng thành phần quyết định độ tin cậy, tính tự chủ của hệ thống (có thể hoạt động trong bao nhiêu ngày nhiều mây liên tục mà không cần sạc lại) và tổng chi phí:

• Bảng điều khiển năng lượng mặt trời: Mô-đun quang điện chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện DC. Các tấm silicon đơn tinh thể có hiệu suất từ ​​20% đến 23% là thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho các ứng dụng Cực mặt trời vì hiệu suất cao hơn trên một đơn vị diện tích cho phép kích thước bảng nhỏ hơn cho một công suất đầu ra nhất định, giúp giảm tải gió trên cột và cải thiện tỷ lệ hình ảnh của Tấm pin mặt trời so với chiều cao của cột. Xếp hạng công suất của bảng điều khiển cho Cột năng lượng mặt trời dao động từ 30 watt đối với cột chiếu sáng lối đi nhỏ đến 400 watt trở lên đối với cột năng lượng mặt trời chiếu sáng đường công suất cao.
• Hệ thống lưu trữ pin: Lưu trữ năng lượng điện do Bảng điều khiển năng lượng mặt trời tạo ra để sử dụng vào ban đêm và thời gian u ám. Pin lithium sắt photphat (LiFePO4) là tiêu chuẩn hiện tại cho các ứng dụng Cực Mặt trời vì tuổi thọ dài (2.000 đến 4.000 chu kỳ sạc-xả đầy đủ, tương đương với 5 đến 11 năm đạp xe hàng ngày), độ ổn định nhiệt và mật độ năng lượng cao. Pin axit-chì vẫn được sử dụng trong các ứng dụng nhạy cảm về chi phí nhưng cần thay thế thường xuyên hơn (thường từ 2 đến 4 năm một lần) và có vòng đời thấp hơn đáng kể.
• đèn LED: Thiết bị phát sáng, hầu hết là đèn LED phổ biến trong các lắp đặt Cực mặt trời mới vì hiệu suất phát sáng cao của đèn LED (thường là 130 đến 180 lumen trên watt đối với đèn đường và đèn khu vực) giúp giảm thiểu Bảng điều khiển năng lượng mặt trời và kích thước pin cần thiết cho một mức độ chiếu sáng nhất định, điều này trực tiếp làm giảm chi phí vốn của hệ thống Cực mặt trời hoàn chỉnh.
• Bộ điều khiển sạc: Thiết bị điện tử quản lý việc sạc pin từ Bảng điều khiển năng lượng mặt trời, ngăn chặn việc sạc quá mức và xả quá mức, đồng thời trong các hệ thống hiện đại điều khiển độ mờ thích ứng của đèn LED dựa trên trạng thái sạc còn lại của pin, thời gian ban đêm và đầu vào phát hiện chuyển động để tối đa hóa khả năng tự chủ của hệ thống trong thời gian năng lượng mặt trời đầu vào giảm.

Ưu điểm của cột năng lượng mặt trời so với chiếu sáng nối lưới

• Không cần kết nối lưới: Cột năng lượng mặt trời giúp loại bỏ chi phí dân sự cho việc đào rãnh cáp điện ngầm, thường chiếm từ 40% đến 60% tổng chi phí lắp đặt của hệ thống chiếu sáng nối lưới thông thường. Đối với việc lắp đặt ở những địa điểm xa xôi, dọc theo các tuyến đường mới không có cơ sở hạ tầng điện hoặc ở những địa điểm có chi phí kết nối lưới đặc biệt cao, việc loại bỏ chi phí dân sự này giúp Cột Năng lượng mặt trời có tính cạnh tranh kinh tế hoặc vượt trội hơn so với các giải pháp thay thế kết nối lưới.
• Chi phí điện liên tục bằng không: Sau giai đoạn phục hồi chi phí vốn, Cột Mặt trời hoạt động với chi phí điện năng bằng 0 vì Bảng điều khiển Mặt trời tạo ra tất cả năng lượng điện cần thiết từ bức xạ mặt trời tự do. Đối với các đô thị ở các thị trường có giá điện cao, việc tiết kiệm chi phí liên tục này mang lại lợi thế tài chính đáng kể trong thời gian sử dụng từ 15 đến 25 năm của việc lắp đặt Cột Mặt Trời.
• Triển khai nhanh chóng: Việc lắp đặt Cột Mặt trời có thể được hoàn thành nhanh hơn đáng kể so với các thiết bị tương đương được kết nối với lưới điện vì không phụ thuộc vào sự sẵn có của tiện ích điện để cung cấp kết nối lưới. Ưu điểm này đặc biệt có ý nghĩa đối với việc triển khai chiếu sáng khẩn cấp, chiếu sáng sự kiện tạm thời và cơ sở hạ tầng phát triển mới phải hoạt động trước khi có cơ sở hạ tầng lưới điện cố định.

Những hạn chế và hạn chế về thiết kế của các cực mặt trời

• Tài nguyên năng lượng mặt trời phụ thuộc vào vị trí: Các cột năng lượng mặt trời mang lại hiệu suất đáng tin cậy ở những vị trí có đủ bức xạ mặt trời (số giờ nắng cao điểm hàng năm trên 4 giờ mỗi ngày), nhưng độ tin cậy của chúng trở thành vấn đề ở các vĩ độ phía bắc (trên 55 độ Bắc) trong những tháng mùa đông khi số giờ nắng cao điểm có thể giảm xuống dưới 1 đến 2 giờ mỗi ngày trong thời gian dài. Ở những địa điểm này, cần có hệ thống pin và tấm pin mặt trời rất lớn để hoạt động đáng tin cậy trong mùa đông, điều này làm tăng đáng kể chi phí vốn và có khả năng làm cho các giải pháp thay thế kết nối lưới trở nên tiết kiệm hơn.
• Độ nhạy bóng: Bảng điều khiển năng lượng mặt trời trên Cột năng lượng mặt trời được gắn ở độ cao và hướng cố định và không thể thay đổi vị trí nếu địa điểm bị che khuất bởi cây cối, tòa nhà mới hoặc các công trình khác sau khi lắp đặt. Ngay cả việc che bóng một phần của Bảng điều khiển năng lượng mặt trời cũng có thể làm giảm đáng kể sản lượng năng lượng của nó, bởi vì hầu hết các cấu hình Bảng điều khiển năng lượng mặt trời tiêu chuẩn đều sử dụng điốt rẽ nhánh khiến các tế bào bị bóng mờ ngắt kết nối một cách hiệu quả, làm giảm sản lượng của bảng nhiều hơn tỷ lệ diện tích bóng mờ gợi ý.
• Chi phí thay pin: Không giống như các bộ đèn nối lưới chỉ yêu cầu bảo trì đèn và bộ điều khiển, hệ thống Cực Mặt trời yêu cầu thay pin sau mỗi 5 đến 10 năm tùy thuộc vào thành phần hóa học của pin và độ sâu của chu kỳ phóng điện. Chi phí thay pin này phải được tính vào tổng chi phí vòng đời so sánh giữa Cột Mặt trời và các giải pháp thay thế nối lưới.

Góc tối ưu cho các tấm pin mặt trời: Vật lý và các quy tắc thực tế

Góc tối ưu cho các tấm pin mặt trời là góc nghiêng (được đo từ phương ngang) mà tại đó Tấm pin mặt trời có độ nghiêng cố định thu được tổng bức xạ mặt trời tối đa trong cả năm cho một vị trí địa lý nhất định. Góc này được xác định bởi vĩ độ lắp đặt và sự thay đổi độ xích vĩ của mặt trời trong suốt cả năm.

Tại sao Latitude xác định góc tối ưu cho các tấm pin mặt trời

Độ cao của mặt trời trên bầu trời vào buổi trưa mặt trời (khi nó cao nhất trên bầu trời và ở hướng nam ở Bắc bán cầu) thay đổi theo vĩ độ của người quan sát và theo mùa. Tại đường xích đạo (vĩ độ 0 độ), mặt trời đi thẳng qua đỉnh đầu vào buổi trưa mặt trời trong thời điểm phân. Ở vĩ độ 45 độ Bắc (vĩ độ gần đúng của Minneapolis, Minnesota hoặc Milan, Ý), mặt trời cao hơn 45 độ so với đường chân trời vào buổi trưa mặt trời trong thời điểm phân, và thấp hơn vào mùa đông, cao hơn vào mùa hè.

Tấm pin mặt trời có độ nghiêng cố định sẽ thu được bức xạ mặt trời tối đa khi nó được định hướng vuông góc với tia nắng. Vì góc nâng trung bình của mặt trời trong năm bằng với vĩ độ (90 độ trừ vĩ độ), góc tối ưu cho các tấm pin mặt trời tại một vị trí nhất định xấp xỉ bằng góc vĩ độ địa phương. Ở vĩ độ 35 độ Bắc (xấp xỉ vĩ độ của Los Angeles, California hoặc Tokyo, Nhật Bản), góc nghiêng hàng năm tối ưu là khoảng 33 đến 37 độ. Ở vĩ độ 51 độ Bắc (xấp xỉ vĩ độ của London, Anh hoặc Calgary, Canada), góc nghiêng hàng năm tối ưu là khoảng 49 đến 53 độ.

Tính toán góc tối ưu chính xác để tối đa hóa năng suất hàng năm

Dữ liệu nghiên cứu và mô phỏng từ NREL và từ công cụ PVWatts xác nhận rằng mối quan hệ thực nghiệm giữa vĩ độ và góc nghiêng tối ưu để tối đa hóa năng suất hàng năm ở hầu hết các địa điểm đều tuân theo mô hình:

• Đối với vĩ độ từ 0 đến 25 độ: Góc nghiêng tối ưu bằng khoảng 0,87 lần vĩ độ cộng với 3,1 độ. Ở vĩ độ 20 độ, điều này mang lại độ nghiêng tối ưu khoảng 20,5 độ.
• Đối với vĩ độ từ 25 đến 50 độ: Góc nghiêng tối ưu bằng khoảng vĩ độ cộng từ 2 đến 5 độ. Ở vĩ độ 40 độ, độ nghiêng tối ưu là khoảng 42 đến 45 độ.
• Đối với vĩ độ trên 50 độ: Góc nghiêng tối ưu hàng năm thường là 50 đến 55 độ, mặc dù các chiến lược tối ưu hóa theo mùa làm tăng độ nghiêng vào mùa đông và giảm vào mùa hè có thể cải thiện năng suất hàng năm so với góc nghiêng tối ưu cố định ở những vị trí có vĩ độ cao này.

Mức phạt lợi nhuận do lệch góc tối ưu cộng hoặc trừ 5 độ thường chỉ bằng 1% đến 3% lợi suất hàng năm , có nghĩa là những hạn chế thực tế như sự thuận tiện về cấu trúc, tính thẩm mỹ hoặc nhu cầu về giá đỡ góc cố định trên Cực Mặt trời có thể được đáp ứng mà không phải hy sinh đáng kể việc sản xuất năng lượng. Mức phạt năng suất trở nên đáng kể hơn đối với độ lệch lớn hơn 10 đến 15 độ so với mức tối ưu, đặc biệt đối với các tấm hướng về phía nam ở Bắc bán cầu, nơi độ lệch 20 độ so với độ nghiêng tối ưu làm giảm năng suất hàng năm từ 5% đến 10%.

Góc nghiêng hàng năm tối ưu theo khu vực của Hoa Kỳ

Bảng điều khiển năng lượng mặt trời Direction by Zip Code: How to Find Your Site-Specific Optimal Orientation

Việc tìm hướng chính xác của tấm pin mặt trời theo mã zip cho bất kỳ vị trí nào ở Hoa Kỳ yêu cầu sử dụng một trong những công cụ phân tích tài nguyên năng lượng mặt trời có sẵn công khai để tính toán hướng tối ưu và sản lượng năng lượng ước tính hàng năm cho Tấm pin mặt trời ở các tọa độ địa lý cụ thể. Công cụ có thẩm quyền và được sử dụng rộng rãi nhất là Máy tính PVWatts của NREL, công cụ này có sẵn miễn phí trực tuyến và tính toán hệ số công suất và sản lượng năng lượng AC dự kiến ​​hàng năm cho hệ thống Bảng điều khiển năng lượng mặt trời tại bất kỳ địa điểm nào ở Hoa Kỳ.

Cách sử dụng NREL PVWatts để định hướng bảng điều khiển năng lượng mặt trời theo mã Zip

1. Điều hướng đến Máy tính PVWatts tại pvwatts.nrel.gov và nhập mã zip hoặc địa chỉ của bạn vào trường tìm kiếm vị trí. Công cụ này sẽ xác định trạm dữ liệu tài nguyên mặt trời gần nhất và tải dữ liệu bức xạ mặt trời cho vị trí của bạn.
2. Nhập công suất hệ thống của Bảng điều khiển năng lượng mặt trời mà bạn đang đánh giá (xếp hạng DC-watt cao nhất của bảng hoặc mảng). Đối với một hệ thống Cực Mặt trời, công suất này có thể là 100 đến 200 watt; đối với hệ thống lắp trên mái nhà hoặc trên mặt đất lớn, nó có thể là kilowatt hoặc megawatt.
3. Đặt góc nghiêng đến giá trị bằng vĩ độ của bạn (một giá trị gần đúng khởi đầu tốt) và đặt góc phương vị thành 180 độ (phía nam thực ở Bắc bán cầu). Lưu ý sản lượng năng lượng ước tính hàng năm được hiển thị.
4. Thay đổi góc nghiêng tăng dần 5 độ trên và dưới vĩ độ của bạn và quan sát sự thay đổi trong sản lượng năng lượng hàng năm. Góc nghiêng tạo ra sản lượng năng lượng tối đa hàng năm là góc tối ưu dành riêng cho địa điểm của bạn cho các tấm pin mặt trời.
5. Xác nhận hướng đúng là hướng Nam (góc phương vị 180 độ theo quy ước PVWatts), không phải từ nam. Sự khác biệt giữa nam thực và nam từ (độ lệch từ) thay đổi tùy theo vị trí: ở miền đông Hoa Kỳ, bắc từ nằm cách bắc thực khoảng 10 đến 15 độ về phía tây, nghĩa là số đọc la bàn về phía nam phải được điều chỉnh để tìm ra nam thực.

Đối với hầu hết các địa điểm trên lục địa Hoa Kỳ, kết quả góc nghiêng tối ưu của PVWatts sẽ nằm trong khoảng từ 2 đến 4 độ so với vĩ độ của địa điểm, xác nhận quy tắc ngón tay cái theo vĩ độ-bằng-tối ưu-độ nghiêng làm điểm khởi đầu thực tế. Các vị trí có mây che phủ đáng kể trong các mùa cụ thể (chẳng hạn như Tây Bắc Thái Bình Dương có mây mùa đông dày đặc) có thể hiển thị mức tối ưu hơi khác so với quy tắc vĩ độ đơn giản vì tài nguyên mặt trời không được phân bố đồng đều trong bốn mùa.

Bảng điều khiển năng lượng mặt trời Direction for Solar Poles: Practical Mounting Considerations

Khi lắp Bảng điều khiển năng lượng mặt trời trên Cột năng lượng mặt trời, hướng tối ưu được tính toán từ PVWatt phải được thực hiện trong thiết kế giá đỡ gắn trên cột. Tuy nhiên, việc lắp đặt Cực Mặt trời có những hạn chế thực tế cụ thể đôi khi làm thay đổi mức tối ưu về mặt lý thuyết:

• Tải gió trên tấm pin mặt trời: Một tấm pin mặt trời được gắn ở góc nghiêng trên cột đóng vai trò như một cánh buồm gió, tạo ra lực ngang đáng kể trên cột tăng theo diện tích tấm pin và góc nghiêng. Ở vĩ độ trên 45 độ, góc nghiêng tối ưu từ 45 đến 50 độ tạo ra tải trọng gió cao hơn so với góc nghiêng thấp hơn, điều này có thể yêu cầu mặt cắt cột hoặc thông số kỹ thuật nền móng chắc chắn hơn. Ở những vùng có gió lớn, có thể áp dụng độ nghiêng thực tế từ 10 đến 15 độ so với mức tối ưu về mặt lý thuyết để giảm tải trọng gió xuống mức chấp nhận được, đồng thời chấp nhận giảm một lượng nhỏ (2% đến 5%) sản lượng năng lượng hàng năm.
• Bóng từ cột hoặc tay đèn: Bản thân cấu trúc cột và cánh tay đèn có thể tạo bóng trên Tấm pin mặt trời vào những thời điểm nhất định trong ngày, đặc biệt là vào sáng sớm và chiều muộn khi mặt trời xuống thấp và ở góc đưa bóng của cột xuyên qua tấm pin. Vị trí đặt bảng điều khiển trên cột phải được đánh giá về khả năng tự che nắng ở các góc mặt trời cực lớn đối với vĩ độ lắp đặt để xác nhận rằng không có bóng râm đáng kể nào xảy ra trong những giờ giữa trưa có bức xạ cao.
• Định hướng đường: Các cột năng lượng mặt trời được lắp đặt dọc theo các con đường có thể bị hạn chế hướng bởi hướng tuyến đường, có thể không chạy chính xác theo hướng đông-tây. Một tấm pin mặt trời trên Cột năng lượng mặt trời dọc theo con đường bắc-nam không thể hướng về phía nam nếu không nhô ra khỏi lòng đường. Trong những trường hợp như vậy, hướng của bảng điều khiển thường được đặt ở góc hướng về phía Nam tối đa có thể đạt được trong giới hạn không gian của quá trình lắp đặt.

Chỉ định các cực mặt trời cho các dự án chiếu sáng không nối lưới: Định cỡ hệ thống hoàn chỉnh

Việc xác định kích thước chính xác của Cột Mặt trời để chiếu sáng không nối lưới đòi hỏi phải tính toán nhu cầu năng lượng của hệ thống (từ định mức công suất của đèn LED và số giờ hoạt động cần thiết mỗi đêm), năng lượng mặt trời có sẵn tại địa điểm, bộ lưu trữ pin cần thiết cho quyền tự chủ cần thiết (số ngày nhiều mây liên tiếp mà hệ thống phải hoạt động mà không có ánh nắng mặt trời) và khu vực Bảng điều khiển Năng lượng mặt trời cần để sạc lại pin một cách đáng tin cậy trong các điều kiện mặt trời điển hình của địa điểm.

Từng bước xác định kích thước hệ thống cực mặt trời

1. Xác định nhu cầu năng lượng hàng đêm: Nhân công suất đèn LED tính bằng watt với số giờ hoạt động cần thiết mỗi đêm. Một bộ đèn LED 60 watt hoạt động 12 giờ mỗi đêm cần năng lượng 720 watt-giờ (0,72 kWh) mỗi đêm.
2. Xác định dung lượng pin cần thiết: Nhân nhu cầu năng lượng hàng đêm với số ngày tự chủ cần thiết (thường là 3 đến 5 ngày đối với hầu hết các ứng dụng Cực mặt trời thương mại) và chia cho độ sâu xả pin (tối đa 80% đối với LiFePO4). Trong 5 ngày tự chủ: 720 Wh x 5 ngày chia cho 0,80 = 4.500 Wh (4,5 kWh) dung lượng pin cần thiết.
3. Xác định công suất tối thiểu của tấm pin mặt trời: Bảng điều khiển năng lượng mặt trời phải sạc lại pin từ trạng thái sạc tối thiểu (sau 5 ngày nhiều mây liên tiếp trong ví dụ trên) trong khung thời gian hợp lý khi mặt trời quay trở lại, đồng thời cung cấp năng lượng hoạt động hàng ngày. Sử dụng số giờ nắng cao điểm trung bình hàng ngày của địa điểm từ PVWatts, chia tổng nhu cầu năng lượng hàng ngày (dự trữ sạc cộng với năng lượng vận hành) cho số giờ nắng cao điểm để có được xếp hạng watt-đỉnh tối thiểu của bảng điều khiển.
4. Áp dụng lề thiết kế: Thêm biên độ thiết kế từ 20% đến 30% vào kích thước bảng điều khiển tối thiểu được tính toán để tính đến việc bảng điều khiển bị bẩn, giảm nhiệt độ, tổn thất cáp và sự kém hiệu quả của bộ điều khiển. Biên độ này đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy trong suốt vòng đời thiết kế của hệ thống khi các yếu tố tổn thất này tích lũy.

Câu hỏi thường gặp

1. Chiều cao cột đèn tiêu chuẩn đường phố dân cư là bao nhiêu?

Các cột đèn đường dân cư tiêu chuẩn thường 5 đến 8 mét (16 đến 26 feet) cao, với 6 mét là chiều cao được quy định rộng rãi nhất cho đường phố dân cư tiêu chuẩn với chiều rộng đường một làn từ 6 đến 8 mét. Ở độ cao này, đèn đường LED tiêu chuẩn có phân bố trắc quang loại II hoặc loại III cung cấp độ sáng mục tiêu cho đường phố dân cư (độ sáng duy trì trung bình thường từ 5 đến 15 lux tùy thuộc vào tiêu chuẩn chiếu sáng đường hiện hành) ở khoảng cách giữa các cột từ 25 đến 35 mét.

2. Những loại cột đèn chính được sử dụng trong môi trường đô thị hiện đại là gì?

Các loại cột đèn chính trong môi trường đô thị hiện đại là: cột côn thép mạ kẽm để chiếu sáng đường thông thường (loại được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn cầu do sự kết hợp giữa hiệu suất kết cấu và chi phí thấp); cột côn nhôm để lắp đặt ven biển và cao cấp yêu cầu chống ăn mòn mà không cần bảo trì; cột trang trí bằng nhôm đúc cho trung tâm thị trấn, quảng trường và phố mua sắm, nơi thẩm mỹ cũng quan trọng như chức năng; Cột composite FRP cho môi trường có tính xâm thực hóa học; và cột bê tông kéo sợi tại các thị trường đang phát triển nơi việc bảo trì tối thiểu và chi phí rất thấp là động lực chính. Cột năng lượng mặt trời đại diện cho một danh mục đang phát triển có thể được cấu hình ở bất kỳ dạng cấu trúc nào với việc bổ sung các thành phần Bảng điều khiển năng lượng mặt trời và pin.

3. Góc tối ưu cho các tấm pin mặt trời ở vĩ độ 35 độ Bắc là bao nhiêu?

Ở vĩ độ 35 độ Bắc (khoảng Los Angeles, California; Dallas, Texas; hoặc Tokyo, Nhật Bản), góc tối ưu cho các tấm pin mặt trời để đạt được năng suất tối đa hàng năm là khoảng 33 đến 37 độ so với phương ngang, gần bằng nhưng cao hơn một chút so với góc vĩ độ địa phương. Độ nghiêng này là kết quả của sự bất đối xứng giữa đường đi của mặt trời vào mùa hè và mùa đông ở vĩ độ này: mùa hè mang lại góc mặt trời rất cao với những ngày dài có thể chụp được ở các góc nghiêng thấp hơn, trong khi mùa đông mang lại góc mặt trời thấp với những ngày ngắn được hưởng lợi từ góc nghiêng cao hơn và cân bằng hàng năm tối ưu giảm nhẹ so với góc vĩ độ tại các vị trí vĩ độ trung bình này.

4. Làm cách nào để tìm hướng của bảng điều khiển năng lượng mặt trời bằng mã zip cho vị trí cụ thể của tôi?

Phương pháp chính xác nhất để tìm hướng của tấm pin mặt trời theo mã zip là sử dụng Máy tính NREL PVWatts tại pvwatts.nrel.gov. Nhập mã vùng của bạn, đặt góc phương vị của bảng điều khiển thành 180 độ (phía nam thực), thay đổi góc nghiêng theo gia số 5 độ và ghi lại sản lượng năng lượng hàng năm ở mỗi độ nghiêng. Độ nghiêng tạo ra sản lượng tối đa hàng năm là góc tối ưu dành riêng cho địa điểm của bạn cho các tấm pin mặt trời. Hãy nhớ rằng góc phương vị PVWatts sử dụng hướng bắc thực là 0, vì vậy 180 độ tương ứng với hướng nam thực. Nam từ tính khác với nam thực ở giá trị độ lệch từ cục bộ, giá trị này phải được áp dụng nếu bạn đang sử dụng la bàn để định hướng bảng điều khiển.

5. Các cột năng lượng mặt trời hoạt động như thế nào và chúng tồn tại được bao lâu?

Cột năng lượng mặt trời hoạt động bằng cách thu năng lượng mặt trời thông qua Bảng điều khiển năng lượng mặt trời gắn trên cấu trúc cột, lưu trữ năng lượng trong hệ thống pin trên tàu và sử dụng năng lượng lưu trữ đó để cấp nguồn cho đèn LED vào ban đêm. Bộ điều khiển sạc thông minh quản lý dòng năng lượng, điều chỉnh độ sáng của đèn dựa trên trạng thái pin và thời gian ban đêm để tối đa hóa độ tin cậy. Các bộ phận kết cấu cột có tuổi thọ sử dụng từ 20 đến 30 năm tương đương với các cột đèn thông thường. Bảng điều khiển năng lượng mặt trời có tuổi thọ bảo hành hiệu suất điển hình là 25 năm. Đèn LED có tuổi thọ từ 50.000 đến 100.000 giờ. Pin LiFePO4 cần được thay thế sau mỗi 7 đến 10 năm, đây là lần bảo trì thường xuyên nhất trong vòng đời của Cực Mặt trời.

6. Cột năng lượng mặt trời có tiết kiệm chi phí hơn so với chiếu sáng nối lưới không?

Cột năng lượng mặt trời thường tiết kiệm chi phí hơn so với chiếu sáng nối lưới khi chi phí đào rãnh cáp điện ngầm cao, khi địa điểm lắp đặt cách xa cơ sở hạ tầng điện hiện có hoặc khi giá điện áp dụng cao. Chi phí vốn của hệ thống Cực Mặt trời thường cao hơn từ 30% đến 60% so với giá trị tương đương được kết nối lưới trên mỗi cực, nhưng khoản phí bảo hiểm này được bù đắp bằng việc loại bỏ chi phí dân sự đào hào (thường chiếm 40% đến 60% tổng chi phí lắp đặt kết nối lưới) và loại bỏ chi phí điện liên tục trong suốt thời gian sử dụng của hệ thống. Đối với những địa điểm có chi phí kết nối lưới thấp và giá điện thấp, tính kinh tế sẽ ưu tiên các hệ thống kết nối lưới.

7. Hướng của tấm pin mặt trời có quan trọng không nếu tôi nghiêng nó sang góc bên phải?

Có, cả góc nghiêng và hướng (góc phương vị) của Tấm pin mặt trời đều quan trọng để tối đa hóa hiệu suất năng lượng. Ở Bắc bán cầu, Tấm pin mặt trời phải hướng về phía nam (góc phương vị 180 độ) để tối đa hóa khả năng tiếp xúc với đường đi của mặt trời trên bầu trời. Hướng về phía đông hoặc phía tây của hướng nam thực sự làm giảm đáng kể sản lượng năng lượng hàng năm: một tấm pin hướng về phía đông nam hoặc tây nam (cách xa hướng nam thực 45 độ) thu được khoảng 90% đến 93% năng lượng của một tấm pin hướng về phía nam thực sự ở độ nghiêng tối ưu. Một bảng hướng về phía đông hoặc phía tây thực sự chỉ thu được khoảng 75% đến 80% năng lượng của bảng hướng về phía nam tối ưu. Hướng bảng điều khiển năng lượng mặt trời bằng công cụ mã zip xác nhận hướng nam thực sự cho bất kỳ vị trí nào trong khi tính đến các yếu tố địa phương.

8. Cột năng lượng mặt trời khác với cột đèn thông thường có kết nối năng lượng mặt trời như thế nào?

Cột năng lượng mặt trời là một hệ thống chiếu sáng khép kín được tích hợp đầy đủ, trong đó Bảng điều khiển năng lượng mặt trời, pin, bộ điều khiển và đèn điện đều được thiết kế và chế tạo để hoạt động cùng nhau như một hệ thống duy nhất, với cấu trúc cột được thiết kế để chịu tải gió của Bảng điều khiển năng lượng mặt trời và để tích hợp ngăn chứa pin trong đế cột hoặc vỏ được thiết kế có mục đích. Cột đèn thông thường có kết nối năng lượng mặt trời riêng là sự sắp xếp kết hợp trong đó cột ban đầu được thiết kế để kết nối lưới và Bảng điều khiển năng lượng mặt trời đã được thêm vào như một giải pháp sau, thường có hộp pin gắn trên bề mặt và bộ điều khiển sạc có thể không được tích hợp về mặt cấu trúc hoặc được chỉ định tối ưu cho các yêu cầu về vị trí địa lý và độ sáng của cột. Các cột năng lượng mặt trời được chế tạo có mục đích mang lại hiệu suất tốt hơn, tính thẩm mỹ tốt hơn và tuổi thọ dài hơn so với các cột thông thường được chuyển đổi trong hầu hết các ứng dụng.

9. Cột năng lượng mặt trời có thể hoạt động ổn định ở các bang phía bắc có ít ánh nắng mặt trời hơn không?

Các cột năng lượng mặt trời có thể hoạt động đáng tin cậy ở các bang phía bắc bao gồm Minnesota, Wisconsin, Michigan và Tây Bắc Thái Bình Dương, nhưng chúng phải có kích thước phù hợp với nguồn năng lượng mặt trời mùa đông thấp hơn ở những địa điểm này. Các điều chỉnh thiết kế chính cho việc lắp đặt Cực Mặt trời ở phía bắc bao gồm: công suất của Tấm pin Mặt trời lớn hơn để thu được đủ năng lượng trong những ngày mùa đông ngắn ngủi (tăng tỷ lệ bảng trên tải từ 1,2 lên 1,5 điển hình của các lắp đặt ở phía nam lên 2,0 đến 3,0 hoặc cao hơn); dung lượng pin lớn hơn để cung cấp khả năng tự chủ cần thiết trong nhiều ngày trong thời gian nhiều mây kéo dài; bộ điều khiển điều chỉnh độ sáng thích ứng giúp giảm công suất đèn trong thời gian sử dụng ít nguồn lực để mở rộng quyền tự chủ; và tối ưu hóa cẩn thận góc tối ưu cho các tấm pin mặt trời để ưu tiên thu năng lượng vào mùa đông bằng cách nghiêng tấm pin dốc hơn góc vĩ độ, chấp nhận giảm năng suất vào mùa hè để đổi lấy hiệu suất được cải thiện vào mùa đông.

10. Tải trọng gió ảnh hưởng như thế nào đến thiết kế Cột Mặt Trời so với cột đèn thông thường?

Tải gió trên Cột Mặt trời cao hơn đáng kể so với cột đèn thông thường có chiều cao tương đương vì Tấm pin mặt trời gắn trên cột hoạt động như một cánh buồm, tạo ra lực ngang đáng kể khi gió thổi vuông góc với mặt tấm pin. Một tấm pin mặt trời đơn tinh thể 200 watt với kích thước khoảng 1,0 mét x 1,7 mét có diện tích dự kiến ​​là 1,7 mét vuông trước gió. Ở tốc độ gió thiết kế 45 m/s (giá trị điển hình cho vùng gió cấp II ASCE 7), mặt tấm này tạo ra lực gió khoảng 2.500 đến 3.500 Newton trên giá đỡ tấm và đỉnh cột, lực này phải được chống lại bởi kết cấu và móng cột. Tải trọng bổ sung này thường yêu cầu độ dày thành cột lớn hơn 20% đến 40% so với cột thông thường có chiều cao tương đương và nền có độ sâu nhúng sâu hơn hoặc đường kính đế bê tông lớn hơn để chống lại mô men lật cao hơn ở cấp độ.