Направление солнечной панели по почтовому индексу и оптимальный угол для солнечных панелей: полное практическое руководство

Краткий обзор высоты фонарного столба, типов фонарных столбов и ориентации солнечных панелей

Длина фонарных столбов варьируется от 3 метров (10 футов) для жилых садов и дорожек до 40 метров (130 футов) и более для высоких мачт на стадионах и транспортных развязках на автомагистралях. Стандартные опоры уличных фонарей обычно имеют длину от 8 до 12 метров (от 26 до 40 футов) для жилых и магистральных дорог, а столбы для парковок - от 6 до 10 метров (от 20 до 33 футов). Перед покупкой важно понять правильную высоту для каждого применения, поскольку высота опоры напрямую определяет уровень освещенности на земле, количество необходимых опор и характеристики фундамента, необходимые для противодействия ветровой нагрузке на данной высоте.

Для солнечных столбов, на которых устанавливается Солнечная панель рядом или над осветительным прибором, оптимальный угол для солнечных панелей в континентальной части США колеблется примерно от 25 градусов во Флориде (от 25 до 30 градусов северной широты) до 47 градусов в Монтане и Северной Дакоте (от 45 до 49 градусов северной широты). Для установок с фиксированным наклоном направление истинно на юг в Северном полушарии. Для любого конкретного почтового индекса в Соединенных Штатах калькулятор PVWatts Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) предоставляет точный солнечный ресурс и оптимальный угол наклона для этого места, устраняя догадки из спецификации солнечной панели на солнечных столбах.

В этом руководстве подробно рассматриваются все эти темы: стандартная высота фонарных столбов в зависимости от применения, основные типы фонарных столбов и их технические различия, как солнечные столбы работают как интегрированная система, как определить правильное направление солнечных батарей по почтовому индексу и как рассчитать оптимальный угол для солнечных панелей для максимального годового выхода энергии.

Насколько высоки фонарные столбы: стандартная высота в зависимости от применения

На вопрос о высоте фонарных столбов нельзя ответить одной цифрой, поскольку правильная высота установки зависит от применения: целевого уровня освещенности на земле, расстояния между опорами, ширины освещаемой площади и фотометрического распределения монтируемого светильника. Каждая комбинация этих переменных обеспечивает уникальную оптимальную высоту стойки, которая обеспечивает баланс покрытия, однородности и контроля бликов.

Освещение жилых улиц и дорожек

В уличном освещении жилых районов используются столбы наименьшей высоты по сравнению с любым оборудованием для дорог общего пользования. Стандартные опоры уличных фонарей для жилых домов в США и Европе обычно От 5 до 8 метров (от 16 до 26 футов) в высоту, при этом 6 метров является наиболее распространенной высотой для стандартных жилых улиц с шириной проезжей части от 6 до 8 метров. На этой высоте стандартный светодиодный дорожный светильник с фотометрическим распределением типа II или типа III обеспечивает достаточное освещение проезжей части и прилегающей пешеходной дорожки с расстоянием между опорами от 25 до 35 метров.

Для освещения дорожек и пешеходов обычно используются еще более короткие столбы. От 3 до 5 метров (от 10 до 16 футов) , поскольку целевая освещенность для пешеходных зон ниже, чем для проезжей части транспортных средств, а также потому, что меньшая высота установки обеспечивает более человечную, интимную визуальную среду, подходящую для парков, площадей и жилых садов. Верхние светильники в виде столбиков высотой от 0,6 до 1,2 метра определяют самый нижний конец категории освещения дорожек и используются в основном для разграничения краев, а не для общего освещения.

Коммерческое и магистральное дорожное освещение

Коммерческие улицы, магистральные дороги и городские коллекторные улицы требуют большей высоты монтажа, чем жилые улицы, чтобы обеспечить достаточное освещение на более широких проезжих частях и поддерживать приемлемые коэффициенты равномерности на нескольких полосах движения. Стандартная высота монтажа для коммерческого уличного и магистрального освещения составляет От 8 до 12 метров (от 26 до 40 футов) , при этом 10 метров является наиболее часто указываемой высотой для двухполосных магистральных дорог с шириной проезжей части от 10 до 14 метров.

Для разделенных автомагистралей и дорог с двусторонним движением, где опоры расположены посередине и должны освещать движение транспорта в обоих направлениях с одной опоры, стандартная высота установки увеличивается до От 12 до 14 метров (от 40 до 46 футов) с конфигурациями кронштейнов с двойными кронштейнами, которые расширяют светильники над каждой проезжей частью. Такая конфигурация уменьшает общее количество опор на разделенных участках дороги примерно на 40 % по сравнению с установкой на обочине дороги с одним рычагом, что значительно снижает стоимость установки.

Освещение парковки и территории

Фонарные столбы на парковках обычно От 6 до 10 метров (от 20 до 33 футов) высокий, конкретная высота выбирается в зависимости от планировки парковки, требуемого уровня освещенности (обычно от 10 до 50 фут-свечей на уровне земли в зависимости от требований безопасности) и фотометрического распределения светильника. Меньшая высота установки (от 6 до 7 метров) распространена на жилых парковках, где минимизация распространения света на соседние объекты является приоритетом проектирования. Большая высота установки (от 8 до 10 метров) используется на коммерческих и торговых парковках, где желательно увеличить расстояние между опорами, чтобы уменьшить количество опор и фундаментов на большой территории.

Спортивное освещение и освещение для высоких мачт

Столбы освещения спортивных площадок для общественных мест отдыха и школьных объектов варьируются от От 12 до 20 метров (от 40 до 65 футов) для достижения высоты монтажа, необходимой для профессионального уровня освещенности на игровых полях без чрезмерного ослепления игроков, смотрящих в сторону светильников. На профессиональных спортивных объектах и спортивных объектах стадионного уровня используются специализированные башенные конструкции. От 20 до 45 метров (от 65 до 150 футов) в зависимости от вида спорта и необходимого уровня освещенности (до 2000 люкс для телевизионного освещения крупных событий).

Высокие мачтовые опоры освещения для транспортных развязок, портовых сооружений, перронов аэропортов и крупных промышленных объектов варьируются от От 20 до 40 метров (от 65 до 130 футов) по высоте, с кольцевыми сборками светильников от 6 до 20 светильников на опору, которые вместе освещают площади до 30 000 квадратных метров с одной опоры.

Краткий справочник по высоте фонарного столба

Типы фонарных столбов: практическая классификация

Типы фонарных столбов, используемых сегодня, варьируются от традиционных декоративных чугунных конструкций до современных стальных и алюминиевых конструкций, каждая из которых соответствует различным эстетическим, структурным и функциональным требованиям. Понимание основных типов фонарных столбов позволяет проектировщикам, муниципалитетам и владельцам недвижимости подобрать тип столба в соответствии с требованиями применения, а не выбирать по умолчанию наиболее знакомый или самый дешевый вариант.

Прямые стальные или алюминиевые конические столбы

Стандартным фонарным столбом для большинства современных систем освещения дорог и парковок является прямой конический стальной или алюминиевый столб. Эти столбы изготавливаются путем прокатки и сварки стальных пластин (для моделей из оцинкованной стали) или экструзии алюминиевых заготовок (для алюминиевых моделей) с получением конической конусности, которая уменьшается от большего диаметра основания до меньшего диаметра наконечника. Конус повышает эффективность конструкции за счет концентрации материала там, где напряжение изгиба самое высокое (в основании), и уменьшения количества материала там, где напряжение наименьшее (на кончике).

Конические опоры из оцинкованной стали являются наиболее широко используемым типом фонарных столбов во всем мире, поскольку они обеспечивают отличные структурные характеристики при минимальных затратах материала на метр высоты. Горячее цинкование по стандарту ASTM A123 обеспечивает покрытие толщиной от 85 до 140 микрон, которое защищает основную сталь на срок от 20 до 30 лет в большинстве атмосферных условий. до того, как потребуется повторное покрытие. Алюминиевые конические опоры стоят примерно на 30–50 % дороже, чем эквивалентные стальные опоры, но не требуют обработки поверхности и устойчивы к коррозии в течение неопределенного времени во всех, кроме самых агрессивных промышленных и морских средах, что делает их предпочтительным выбором для береговых установок.

Декоративные и исторические фонарные столбы

Декоративные фонарные столбы используются в исторических районах, городских центрах, торговых улицах, площадях, парках и в любых объектах, где сам фонарный столб должен способствовать эстетическому характеру окружающей среды, а не быть чисто утилитарной конструкцией. Основными материалами, используемыми в декоративных и исторических фонарных столбах, являются:

• Чугун: Традиционный материал фонарных столбов, используемый в уличном освещении викторианской и эдвардианской эпох, который до сих пор воспроизводится в проектах по сохранению наследия и новых объектах, требующих аутентичного внешнего вида. Чугунные фонарные столбы чрезвычайно тяжелы (обычно от 200 до 600 кг для стандартного 4-метрового столба) и требуют регулярного ухода за покраской во избежание ржавчины, но при этом обеспечивают визуальный характер, который не могут воспроизвести современные материалы. Они устойчивы к ударам, которые могут повредить стальные или алюминиевые опоры.
• Литой алюминий: Современные декоративные фонарные столбы повторяют визуальные профили традиционных чугунных конструкций из литого алюминия, который значительно легче (примерно одна треть веса чугуна), устойчив к коррозии без покраски и доступен в любом цвете порошкового покрытия для гибкости дизайна. Декоративные фонарные столбы из литого алюминия являются доминирующим выбором для новых декоративных установок уличного освещения, поскольку они сочетают эстетику наследия с современными свойствами материала.
• Полимер, армированный стекловолокном (FRP): Декоративные фонарные столбы из стеклопластика используются в прибрежных зонах, на химических заводах и в других агрессивных средах, где даже алюминий требует неприемлемого обслуживания, а также в тех случаях, когда недопустимы никакие металлические компоненты. Столбы из стеклопластика могут быть изготовлены в любом цвете и текстуре поверхности и не имеют риска коррозии в любой атмосферной среде.

Бетонные столбы

Столбы из центрифугированного бетона представляют собой основную категорию типов фонарных столбов, используемых на развивающихся рынках и на некоторых автомагистралях с интенсивным движением транспорта на развитых рынках, где их очень низкая стоимость и отсутствие требований к техническому обслуживанию перевешивают их недостатки, связанные с тяжелым весом и ограниченной эстетической гибкостью. Предварительно напряженные бетонные опоры изготавливаются путем заливки бетона во вращающуюся цилиндрическую форму, которая использует центробежную силу для уплотнения смеси вокруг предварительно напряженного стального сердечника. Полученный столб получается прочным, долговечным и не требует ухода за поверхностью, но он очень тяжелый, его трудно транспортировать на удаленные объекты, и на него невозможно нанести порошковое покрытие или легко модифицировать его после изготовления.

Восьмиугольные и круглые стальные опоры для коммерческого применения

Для автостоянок, коммерческих объектов и объектов легкой промышленности, где важны как умеренные конструктивные характеристики, так и конкурентоспособная стоимость, широко используются восьмиугольные прямые стальные опоры. Восьмистороннее поперечное сечение обеспечивает лучшую устойчивость к вибрации, вызванной ветром, чем круглые поперечные сечения с эквивалентной толщиной стенок, поскольку восьмиугольная геометрия разрушает образование вихрей, которое заставляет круглые опоры колебаться при определенных скоростях ветра (явление, называемое вихревым резонансом Кармана, которое вызывает усталостные разрушения в установках круглых опор в регионах с сильным ветром).

Виды фонарных столбов: сравнительная таблица

Солнечные столбы: как работает интегрированное солнечное освещение

Солнечные полюса объединить структурную функцию обычного фонарного столба со встроенной солнечной панелью, которая генерирует электрическую энергию для питания светильника, аккумуляторной системой, которая сохраняет энергию, собранную в течение дневного света, для использования ночью, и интеллектуальным контроллером, который управляет потоком энергии между солнечной панелью, аккумулятором и светильником, чтобы максимизировать надежные часы освещения независимо от ежедневных изменений солнечного излучения.

Основные компоненты солнечной полюсной системы

Каждая система солнечного полюса включает в себя следующие компоненты, и спецификация каждого компонента определяет надежность системы, автономность (сколько последовательных пасмурных дней она может работать без подзарядки) и общую стоимость:

• Солнечная панель: Фотоэлектрический модуль, преобразующий солнечный свет в электрическую энергию постоянного тока. Панели из монокристаллического кремния с эффективностью от 20% до 23% являются стандартной спецификацией для солнечных столбов, поскольку их более высокая эффективность на единицу площади позволяет уменьшить размеры панели для заданной выходной мощности, что снижает ветровую нагрузку на столб и улучшает визуальное соотношение солнечной панели по отношению к высоте столба. Номинальная мощность панелей для солнечных столбов варьируется от 30 Вт для небольших опор освещения дорожек до 400 Вт и более для мощных солнечных столбов дорожного освещения.
• Система хранения аккумуляторов: Сохраняет электрическую энергию, вырабатываемую солнечной панелью, для использования в ночное время и в пасмурные периоды. Литий-железо-фосфатные батареи (LiFePO4) являются текущим стандартом для солнечных батарей из-за их длительного срока службы (от 2000 до 4000 полных циклов зарядки-разрядки, что составляет от 5 до 11 лет ежедневной езды на велосипеде), термической стабильности и высокой плотности энергии. Свинцово-кислотные аккумуляторы по-прежнему используются в дорогостоящих приложениях, но требуют более частой замены (обычно каждые 2–4 года) и имеют значительно меньший срок службы.
• Светодиодный светильник: Устройство светоотдачи, почти всегда светодиодное в новых установках на солнечных столбах, поскольку высокая светоотдача светодиодов (обычно от 130 до 180 люмен на ватт для уличных и уличных светильников) сводит к минимуму размер солнечной панели и батареи, необходимые для данного уровня освещенности, что напрямую снижает капитальные затраты на всю систему солнечных столбов.
• Контроллер заряда: Электронное устройство, которое управляет зарядкой аккумулятора от солнечной панели, предотвращает перезарядку и чрезмерную разрядку, а в современных системах управляет адаптивным затемнением светодиодного светильника на основе оставшегося заряда аккумулятора, ночного времени и входных сигналов обнаружения движения, чтобы максимизировать автономность системы в периоды снижения солнечной энергии.

Преимущества солнечных столбов перед освещением, подключенным к сети

• Подключение к сети не требуется: Солнечные столбы исключают гражданские затраты на прокладку траншей для подземных электрических кабелей, которые обычно составляют от 40% до 60% от общей стоимости установки обычной системы освещения, подключенной к сети. При установке в отдаленных местах, вдоль новых дорог, где отсутствует электрическая инфраструктура, или в местах, где затраты на подключение к сети особенно высоки, устранение этих общестроительных затрат делает солнечные столбы экономически конкурентоспособными или превосходящими альтернативы, подключенные к сети.
• Нулевые текущие затраты на электроэнергию: После периода окупаемости капитальных затрат солнечные столбы работают с нулевыми затратами на электроэнергию, поскольку солнечная панель генерирует всю необходимую электроэнергию из свободного солнечного излучения. Для муниципалитетов на рынках с высокими тарифами на электроэнергию такая постоянная экономия средств представляет собой значительное финансовое преимущество по сравнению со сроком службы солнечной установки, составляющим от 15 до 25 лет.
• Быстрое развертывание: Установка солнечных столбов может быть завершена значительно быстрее, чем эквиваленты, подключенные к сети, поскольку нет зависимости от доступности электроэнергетической компании для обеспечения подключения к сети. Это преимущество особенно важно для развертывания аварийного освещения, временного освещения мероприятий и новой инфраструктуры развития, которая должна быть введена в эксплуатацию до того, как будет создана постоянная инфраструктура электросетей.

Ограничения и ограничения при проектировании солнечных полюсов

• Зависящий от местоположения солнечный ресурс: Солнечные столбы обеспечивают надежную работу в местах с достаточным солнечным излучением (годовой пик солнечного света превышает 4 часа в день), но их надежность становится проблематичной в северных широтах (выше 55 градусов северной широты) в зимние месяцы, когда пиковое количество солнечных часов может опускаться ниже 1–2 часов в день в течение длительных периодов времени. В этих местах для надежной работы зимой требуются очень большие солнечные панели и аккумуляторные системы, что значительно увеличивает капитальные затраты и потенциально делает альтернативы, подключенные к сети, более экономичными.
• Чувствительность затенения: Солнечная панель на солнечном столбе монтируется на фиксированной высоте и в фиксированном положении и не может быть изменена, если после установки участок становится затененным деревьями, новыми зданиями или другими конструкциями. Даже частичное затенение солнечной панели может значительно снизить ее выходную мощность, поскольку в большинстве стандартных конфигураций солнечных панелей используются байпасные диоды, которые приводят к эффективному отключению заштрихованных ячеек, снижая выходную мощность панели больше, чем можно было бы предположить по одной лишь доле затененной площади.
• Стоимость замены аккумулятора: В отличие от светильников, подключенных к сети, которые требуют только обслуживания лампы и драйвера, системы Solar полюс требуют замены батарей каждые 5–10 лет в зависимости от химического состава батареи и глубины циклической разрядки. Стоимость замены батареи должна быть учтена при сравнении общей стоимости жизненного цикла между солнечными полюсами и альтернативами, подключенными к сети.

Оптимальный угол для солнечных панелей: физика и практические правила

Оптимальным углом для солнечных панелей является угол наклона (измеренный от горизонтали), при котором солнечная панель с фиксированным наклоном улавливает максимальное общее солнечное излучение за весь год для данного географического местоположения. Этот угол определяется широтой установки и изменением солнечного склонения в течение года.

Почему Latitude определяет оптимальный угол для солнечных панелей

Высота Солнца на небе в солнечный полдень (когда оно находится на самом высоком небе и на юге северного полушария) меняется в зависимости от широты наблюдателя и времени года. На экваторе (0 градусов широты) солнце проходит прямо над головой в солнечный полдень во время равноденствий. На широте 45 градусов северной широты (приблизительная широта Миннеаполиса, Миннесоты или Милана, Италия) солнце находится на 45 градусов над горизонтом в солнечный полдень во время равноденствий, ниже зимой и выше летом.

Солнечная панель с фиксированным наклоном улавливает максимальное солнечное излучение, когда она ориентирована перпендикулярно солнечным лучам. Поскольку средний угол возвышения Солнца в течение года равен дополнению широты (90 градусов минус широта), оптимальный угол для солнечных панелей в данном месте примерно равен углу местной широты. На широте 35 градусов северной широты (примерно широта Лос-Анджелеса, Калифорния, или Токио, Япония) оптимальный годовой угол наклона составляет примерно от 33 до 37 градусов. На широте 51 градус северной широты (приблизительно широта Лондона, Англия, или Калгари, Канада) оптимальный годовой угол наклона составляет примерно от 49 до 53 градусов.

Точный расчет оптимального угла для максимизации годовой доходности

Данные исследований и моделирования NREL и инструмента PVWatts подтверждают, что эмпирическая взаимосвязь между широтой и оптимальным углом наклона для максимизации годового урожая в большинстве мест соответствует схеме:

• Для широт от 0 до 25 градусов: Оптимальный угол наклона равен примерно 0,87 широты плюс 3,1 градуса. На широте 20 градусов это дает оптимальный наклон примерно 20,5 градусов.
• Для широт от 25 до 50 градусов: Оптимальный угол наклона примерно равен широте плюс от 2 до 5 градусов. На широте 40 градусов оптимальный наклон составляет примерно от 42 до 45 градусов.
• Для широт выше 50 градусов: Оптимальный годовой угол наклона обычно составляет от 50 до 55 градусов, хотя стратегии сезонной оптимизации, которые увеличивают наклон зимой и уменьшают летом, могут повысить годовую урожайность по сравнению с оптимальным фиксированным углом в этих высокоширотных местах.

Штраф урожайности за отклонение от оптимального угла на плюс-минус 5 градусов обычно составляет всего от 1% до 3% годовой урожайности. Это означает, что практические ограничения, такие как структурное удобство, эстетика или необходимость в кронштейне с фиксированным углом на солнечном столбе, могут быть учтены без значительных потерь в производстве энергии. Снижение урожайности становится более значительным при отклонениях более чем на 10–15 градусов от оптимального значения, особенно для панелей, обращенных на юг в Северном полушарии, где отклонение на 20 градусов от оптимального наклона снижает годовую урожайность на 5–10%.

Оптимальные годовые углы наклона по регионам США

Солнечная панель Direction by Zip Code: How to Find Your Site-Specific Optimal Orientation

Чтобы найти точное направление солнечной панели по почтовому индексу для любого места в Соединенных Штатах, необходимо использовать один из общедоступных инструментов анализа солнечных ресурсов, который рассчитывает оптимальную ориентацию и расчетную годовую выработку энергии для солнечной панели в определенных географических координатах. Наиболее авторитетным и широко используемым инструментом является калькулятор PVWatts Calculator от NREL, который находится в свободном доступе в Интернете и рассчитывает ожидаемую годовую выработку энергии переменного тока и коэффициент мощности для системы солнечных панелей в любом месте США.

Как использовать NREL PVWatts для направления солнечных панелей по почтовому индексу

1. Перейдите к калькулятору PVWatts на сайте pvwatts.nrel.gov. и введите свой почтовый индекс или адрес в поле поиска местоположения. Инструмент определит ближайшую станцию ​​данных о солнечных ресурсах и загрузит данные о солнечном излучении для вашего местоположения.
2. Введите емкость системы солнечной панели, которую вы оцениваете (пиковая мощность постоянного тока панели или массива). Для системы с одним солнечным полюсом это может составлять от 100 до 200 Вт; для большого массива, установленного на крыше или на земле, это могут быть киловатты или мегаватты.
3. Установите угол наклона на значение, равное вашей широте (хорошее начальное приближение) и установите азимут на 180 градусов (истинный юг в северном полушарии). Обратите внимание на отображаемую расчетную годовую выработку энергии.
4. Меняйте угол наклона с шагом 5 градусов выше и ниже вашей широты и наблюдайте за изменением годовой выработки энергии. Угол наклона, обеспечивающий максимальную годовую выработку энергии, является оптимальным углом для солнечных панелей с учетом особенностей вашего объекта.
5. Подтвердите, что направление истинное на юг. (азимут 180 градусов в соответствии с соглашением PVWatts), а не магнитный юг. Разница между истинным югом и магнитным югом (магнитным склонением) варьируется в зависимости от местоположения: на востоке Соединенных Штатов магнитный север находится примерно на 10–15 градусов к западу от истинного севера, а это означает, что показания компаса на юг необходимо скорректировать, чтобы найти истинный юг.

Для большинства континентальных регионов США оптимальный угол наклона PVWatts будет находиться в пределах 2–4 градусов от широты места, что подтверждает эмпирическое правило «широта равна оптимальному наклону» в качестве практической отправной точки. В местах со значительной облачностью в определенные сезоны (например, на северо-западе Тихого океана с тяжелыми зимними облаками) оптимум может немного отличаться от простого правила широты, поскольку солнечный ресурс не распределяется равномерно по четырем сезонам.

Солнечная панель Direction for Solar Poles: Practical Mounting Considerations

При установке солнечной панели на солнечный столб оптимальная ориентация, рассчитанная по PVWatts, должна быть реализована в конструкции кронштейна для установки на столб. Однако установка солнечных столбов имеет определенные практические ограничения, которые иногда изменяют теоретический оптимум:

• Ветровая нагрузка на солнечную панель: Солнечная панель, установленная под углом наклона на столбе, действует как ветровой парус, создавая значительную боковую силу на столбе, которая увеличивается с увеличением площади панели и угла наклона. На широте выше 45 градусов оптимальные углы наклона от 45 до 50 градусов создают более высокие ветровые нагрузки, чем меньшие углы наклона, что может потребовать более прочного поперечного сечения опоры или спецификации фундамента. В зонах с сильным ветром практический наклон на 10–15 градусов ниже теоретического оптимума может быть принят для снижения ветровой нагрузки до приемлемого уровня, допуская небольшое (от 2% до 5%) снижение годовой выработки энергии.
• Затенение от опоры или кронштейна светильника: Сама конструкция опоры и кронштейн светильника могут отбрасывать тени на солнечную панель в определенное время суток, особенно ранним утром и ближе к вечеру, когда солнце низко и под углом, при котором тень опоры пересекает панель. Размещение панели на опоре должно быть оценено на предмет самозатенения при крайних углах солнечного света для широты установки, чтобы убедиться, что в полуденные часы с высокой освещенностью не происходит значительного затенения.
• Выравнивание ориентации дороги: Солнечные столбы, установленные вдоль дорог, могут иметь ориентацию, ограниченную трассой дороги, которая может идти не точно с востока на запад. Солнечная панель на солнечном столбе вдоль дороги с севера на юг не может быть обращена на юг, не выступая за проезжую часть. В таких случаях ориентация панели обычно устанавливается на максимальный угол южной стороны, достижимый в рамках пространственных ограничений установки.

Выбор солнечных столбов для проектов автономного освещения: определение размеров всей системы

Правильный выбор солнечной опоры для автономного освещения требует расчета энергопотребления системы (на основе номинальной мощности светодиодного светильника и требуемых часов работы в сутки), солнечной энергии, доступной на объекте, объема аккумуляторной батареи, необходимой для требуемой автономности (количества последовательных пасмурных дней, которые система должна работать без солнца), а также площади солнечной панели, необходимой для надежной подзарядки батареи в типичных солнечных условиях объекта.

Пошаговое определение размеров системы солнечных столбов

1. Определить ночную потребность в энергии: Умножьте мощность светодиодного светильника в ваттах на необходимое количество часов работы в сутки. Светодиодный светильник мощностью 60 Вт, работающий 12 часов в сутки, требует 720 Вт-часов (0,72 кВтч) энергии за ночь.
2. Определите необходимую емкость аккумулятора: Умножьте ночное потребление энергии на необходимое количество дней автономной работы (обычно от 3 до 5 дней для большинства коммерческих применений на солнечных батареях) и разделите на глубину разряда аккумулятора (максимум 80 % для LiFePO4). Для автономной работы в течение 5 дней: 720 Втч x 5 дней, разделенные на 0,80 = необходимая емкость аккумулятора 4500 Втч (4,5 кВтч).
3. Определите минимальную мощность солнечной панели: Солнечная панель должна перезарядить батарею от минимального уровня заряда (после 5 пасмурных дней подряд в приведенном выше примере) в течение разумного периода времени после возвращения солнца, одновременно обеспечивая ежедневную рабочую энергию. Используя средние дневные часы пикового солнечного света на объекте, полученные из фотоэлектрических ватт, разделите общую дневную потребность в энергии (резерв зарядки плюс рабочая энергия) на часы пикового солнечного света, чтобы получить минимальную пиковую мощность панели.
4. Примените дизайнерские поля: Добавьте расчетный запас от 20% до 30% к расчетному минимальному размеру панели, чтобы учесть загрязнение панели, снижение номинальных характеристик из-за температуры, потери в кабеле и неэффективность контроллера. Этот запас обеспечивает надежную работу на протяжении всего срока службы системы по мере накопления этих факторов потерь.

Часто задаваемые вопросы

1. Какой высоты должны быть фонарные столбы на стандартных жилых улицах?

Стандартные уличные фонарные столбы для жилых домов обычно представляют собой От 5 до 8 метров (от 16 до 26 футов) в высоту, при этом 6 метров является наиболее распространенной высотой для стандартных жилых улиц с шириной однополосной проезжей части от 6 до 8 метров. На этой высоте стандартные светодиодные дорожные светильники с фотометрическим распределением типа II или типа III обеспечивают целевую освещенность для жилых улиц (обычно от 5 до 15 люкс, средняя поддерживаемая освещенность в зависимости от действующего стандарта дорожного освещения) при расстоянии между опорами от 25 до 35 метров.

2. Какие основные типы фонарных столбов используются в современных городских условиях?

Основными типами фонарных столбов в современной городской среде являются: конические опоры из оцинкованной стали для общего дорожного освещения (наиболее широко используемый тип во всем мире благодаря сочетанию конструктивных характеристик и низкой стоимости); алюминиевые конические опоры для береговых и премиальных установок, требующих устойчивости к коррозии и не требующих обслуживания; декоративные столбы из литого алюминия для городских центров, площадей и торговых улиц, где эстетика так же важна, как и функциональность; Композитные опоры FRP для химически агрессивных сред; и центрифугированные бетонные столбы на развивающихся рынках, где основными факторами являются минимальное техническое обслуживание и очень низкая стоимость. Солнечные столбы представляют собой растущую категорию, которую можно сконфигурировать в любой из этих структурных форм с добавлением солнечной панели и компонентов батареи.

3. Каков оптимальный угол установки солнечных батарей на 35 градусе северной широты?

На 35 градусах северной широты (приблизительно Лос-Анджелес, Калифорния; Даллас, Техас; или Токио, Япония) оптимальный угол для солнечных панелей для максимальной годовой выработки энергии составляет примерно 33–37 градусов от горизонтали, что близко к углу местной широты, но немного превышает его. Этот наклон является результатом асимметрии между летним и зимним солнечными путями на этой широте: лето приносит очень высокий угол солнца с длинными днями, которые можно запечатлеть при меньших углах наклона, в то время как зима приносит низкий угол солнца с короткими днями, что выигрывает от более высоких углов наклона, а оптимальный годовой баланс падает немного выше угла широты в этих местах в средних широтах.

4. Как мне найти направление солнечной панели по почтовому индексу для моего конкретного местоположения?

Самый точный способ определить направление солнечной панели по почтовому индексу — использовать калькулятор NREL PVWatts на сайте pvwatts.nrel.gov. Введите свой почтовый индекс, установите азимут панели на 180 градусов (на юг), измените угол наклона с шагом 5 градусов и запишите годовую выработку энергии при каждом наклоне. Наклон, обеспечивающий максимальную годовую выработку, является оптимальным углом для солнечных панелей с учетом специфики вашего объекта. Помните, что азимут PVWatts использует истинный север как ноль, поэтому 180 градусов соответствуют истинному югу. Магнитный юг отличается от истинного юга значением местного магнитного склонения, которое необходимо применять, если вы используете компас для ориентации панели.

5. Как работают солнечные столбы и как долго они служат?

Солнечные столбы работают, собирая солнечную энергию через солнечную панель, установленную на конструкции столба, сохраняя энергию во встроенной аккумуляторной системе и используя эту накопленную энергию для питания светодиодного светильника в ночное время. Интеллектуальный контроллер заряда управляет потоком энергии, адаптируя яркость светильника в зависимости от состояния батареи и времени ночи, чтобы максимизировать надежность. Компоненты опорных конструкций имеют срок службы от 20 до 30 лет, как и обычные фонарные столбы. Стандартный гарантийный срок эксплуатации солнечной панели составляет 25 лет. Светодиодные светильники служат от 50 000 до 100 000 часов. Батареи LiFePO4 требуют замены каждые 7–10 лет, что является наиболее частым мероприятием по техническому обслуживанию в жизненном цикле солнечного полюса.

6. Являются ли солнечные столбы более рентабельными, чем освещение, подключенное к сети?

Солнечные столбы, как правило, более рентабельны, чем освещение, подключенное к сети, когда стоимость прокладки траншей для подземных электрических кабелей высока, когда место установки удалено от существующей электрической инфраструктуры или когда применимый тариф на электроэнергию высок. Капитальные затраты на систему солнечных полюсов обычно на 30–60 % выше, чем эквивалент одного столба, подключенного к сети, но эта надбавка компенсируется устранением затрат на прокладку траншей (которые обычно составляют от 40 % до 60 % от общей стоимости установки, подключенной к сети) и устранением текущих затрат на электроэнергию в течение срока службы системы. Для территорий, где затраты на подключение к сети низкие и тарифы на электроэнергию низкие, экономика благоприятствует системам, подключенным к сети.

7. Имеет ли значение направление солнечной панели, если я наклоню ее под прямым углом?

Да, и угол наклона, и направление (азимут) солнечной панели важны для максимизации выхода энергии. В северном полушарии солнечная панель должна быть направлена ​​на юг (азимут 180 градусов), чтобы максимально увеличить доступ к пути Солнца по небу. Обращение к востоку или западу от истинного юга значительно снижает годовую выработку энергии: панель, обращенная на юго-восток или юго-запад (45 градусов от истинного юга), улавливает примерно от 90% до 93% энергии панели, обращенной к истинному югу, при оптимальном наклоне. Панель, обращенная на восток или запад, улавливает только примерно от 75% до 80% энергии оптимальной панели, обращенной на юг. Направление солнечной панели по почтовому индексу подтверждает истинный юг для любого местоположения с учетом местных факторов.

8. В чем разница между солнечным столбом и обычным фонарным столбом с подключением к солнечной энергии?

Солнечная опора — это полностью интегрированная автономная система освещения, в которой солнечная панель, аккумулятор, контроллер и светильник спроектированы и спроектированы так, чтобы функционировать вместе как единая система, при этом конструкция опоры предназначена для выдерживания ветровой нагрузки солнечной панели и интеграции батарейного отсека в основание опоры или специально разработанный корпус. Обычный фонарный столб с отдельным подключением к солнечной энергии представляет собой гибридную конструкцию, в которой столб изначально был разработан для подключения к сети, а солнечная панель была добавлена ​​​​в последнюю очередь, часто с аккумуляторным ящиком для поверхностного монтажа и контроллером зарядки, которые могут быть структурно не интегрированы или оптимально не определены для географического положения столба и требований к освещенности. Специально созданные солнечные столбы обеспечивают лучшую производительность, лучший внешний вид и более длительный срок службы, чем преобразованные традиционные столбы в большинстве случаев.

9. Могут ли солнечные столбы надежно работать в северных штатах с меньшим количеством солнечного света?

Солнечные столбы могут надежно работать в северных штатах, включая Миннесоту, Висконсин, Мичиган и на северо-западе Тихого океана, но их размер должен быть соответствующим образом рассчитан на более низкие зимние солнечные ресурсы в этих местах. Ключевые изменения конструкции для установки солнечных полюсов на севере включают: увеличение мощности солнечных панелей для улавливания достаточного количества энергии в течение коротких зимних дней (увеличение соотношения панели к нагрузке с 1,2–1,5, типичного для южных установок, до 2,0–3,0 или выше); большая емкость аккумулятора для обеспечения необходимой многодневной автономности в периоды длительной облачности; адаптивные контроллеры затемнения, которые уменьшают мощность светильника в периоды нехватки ресурсов для увеличения автономности; и тщательная оптимизация оптимального угла для солнечных панелей, чтобы отдать приоритет захвату энергии зимой, наклоняя панель круче, чем угол широты, допуская некоторое снижение урожайности летом в обмен на улучшение зимних характеристик.

10. Как ветровая нагрузка влияет на конструкцию солнечного столба по сравнению с обычными фонарными столбами?

Ветровая нагрузка на солнечном столбе значительно выше, чем на обычном фонарном столбе эквивалентной высоты, поскольку солнечная панель, установленная на столбе, действует как парус, создавая значительную боковую силу, когда ветер дует перпендикулярно поверхности панели. Монокристаллическая солнечная панель мощностью 200 Вт и размерами примерно 1,0 метра на 1,7 метра представляет собой проекцию площади 1,7 квадратных метра на ветру. При расчетной скорости ветра 45 м/с (типичное значение для ветровой зоны категории II по ASCE 7) эта лицевая сторона панели создает силу ветра примерно от 2500 до 3500 Ньютонов на кронштейне панели и верхней части опоры, которой должны противостоять конструкция опоры и фундамент. Эта дополнительная нагрузка обычно требует толщины стенки опоры на 20–40 % большей, чем у обычной опоры эквивалентной высоты, а также фундамента с большей глубиной заглубления или большего диаметра бетонного основания, чтобы противостоять более высокому опрокидывающему моменту на уклоне.