Działanie każdego systemu słonecznego w regionach zimnych napotyka zazwyczaj znane ograniczenie: śnieg osadzający się na modułach zmniejsza dostępne promieniowanie i zakłóca działanie przez całe tygodnie. Dotychczasowe alternatywy obejmowały procedury ręczne i mechanizmy grzewcze, które wiązały się z wysokimi nakładami operacyjnymi.
Sytuacja ta stała się impulsem do podjęcia nowych badań w wyspecjalizowanych ośrodkach. W Szwajcarii różne grupy naukowe skoncentrowały swoje badania na rozwiązaniach łączących techniki pasywne i materiały zoptymalizowane pod kątem niskich temperatur. Ich praca ma na celu zminimalizowanie typowych dla zimy przerw w działaniu poprzez zastosowanie skutecznych konfiguracji.
Jak działa szwajcarski system solarny, który działa nawet podczas opadów śniegu?
Rozwój energii fotowoltaicznej w środowiskach śnieżnych był ograniczony przez fizyczne przeszkody spowodowane przez sam śnieg. Propozycja opracowana przez Szwajcarskie Centrum Energii Odnawialnej Alp (SERA) wprowadza system solarny zaprojektowany w celu zmniejszenia gromadzenia się śniegu na modułach i utrzymania produkcji bez dodatkowej interwencji.
Badania na ten temat zostały opublikowane w „Journal of Cleaner Production” i opierają się na powierzchniach fototermicznych zdolnych do pochłaniania części promieniowania w celu nieznacznego podwyższenia temperatury panelu. Ten transfer ciepła sprzyja topnieniu śniegu bez konieczności zużywania energii zewnętrznej.
Do tego dochodzi konstrukcja o dynamicznych kątach, które dostosowują się do warunków terenu, ułatwiając zsuwanie się śniegu. Zastosowanie powłok hydrofobowych zapobiega przywieraniu lodu i przyspiesza odprowadzanie stopionej wody.
SERA pracowała również nad półprzewodnikami dostosowanymi do niskich temperatur, co poprawia wydajność modułów w okresach niskiego promieniowania. W testach przeprowadzonych w kantonie Valais prototypy zachowały ponad 90% sprawności po intensywnych opadach śniegu, bez konieczności ręcznego czyszczenia.
Alpejskie badania, które na nowo zdefiniują projektowanie systemów solarnych
Wyzwanie związane ze śniegiem nie ogranicza się do utrudnień optycznych. Nagromadzony śnieg zwiększa ciężar, zmienia przepływ wiatru i tworzy obszary zacienione, które mogą wpływać na żywotność komponentów. Dlatego też konstrukcja strukturalna jest kluczową zmienną w tej innowacji.
Propozycja łączy zmienną orientację z wysokością większą niż zwykle w instalacjach domowych i komercyjnych. Taka konfiguracja pozwala wykorzystać grawitację i dominujące wiatry do usuwania śniegu. Dynamiczne nachylenie zmniejsza obszary, na których może pozostawać śnieg, i zmniejsza obciążenia mechaniczne.
Wnioski zespołu pokazują, że strategia ta zmniejsza częstotliwość konserwacji i pozwala uniknąć stosowania systemów grzewczych, co zmniejsza koszty i zużycie energii.
Ponadto zastosowane powłoki hydrofobowe są odporne na zmiany temperatury i korozję, zwiększając żywotność modułów.
Jaki potencjał ma to szwajcarskie rozwiązanie?
Ten szwajcarski projekt ma bezpośrednie implikacje dla regionów, w których energia fotowoltaiczna jest istotnym elementem planowania energetycznego.
Kraje o długich zimach są uzależnione od technologii umożliwiających nieprzerwaną produkcję energii. System solarny, który zachowuje wydajność pod śniegiem, pozwala zmniejszyć różnicę między wytwarzaniem a zapotrzebowaniem w miesiącach zimowych.
Szwajcaria rozważa zastosowanie tej technologii w projektach alpejskich związanych z programem Net Zero 2050. Celem jest dywersyfikacja produkcji i wzmocnienie samowystarczalności energetycznej poprzez instalacje dostosowane do lokalnej rzeźby terenu.
Środek ten otwiera również możliwość włączenia go do wielkoskalowych parków słonecznych, gdzie ciągłość działania jest czynnikiem strategicznym.
Równolegle Partia Zielonych promuje inicjatywę obywatelską „For a secure supply with renewable energies (Solar Initiative)”, która proponuje włączenie instalacji słonecznych do nowych budynków i renowacji, z wyjątkiem uzasadnionych przypadków. Jej celem jest, aby energia słoneczna, wraz z energią wodną, stała się podstawą szwajcarskiej matrycy energetycznej.
Modele eksperymentalne i symulacje zastosowane w alpejskim systemie solarnym
Kolejny blok badawczy pochodzi z École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) i Instytutu Śniegu i Lawin WSL, we współpracy z austriacką firmą Ehoch2. Ich propozycja koncentruje się na wielopłaszczyznowym systemie pionowym o nazwie Helioplant, który wykorzystuje panele skierowane w różnych kierunkach, aby wykorzystać odbicie światła od śniegu.
W pracy zastosowano model Snowbedfoam, symulację analizującą zachowanie śniegu w zależności od wiatru, orientacji i odległości od podłoża. Testy pokazują, że podniesienie modułów o co najmniej 60 centymetrów i ustawienie ich zgodnie z dominującymi wiatrami znacznie zmniejsza gromadzenie się śniegu.
Gdy panele są zbyt blisko siebie, powstają obszary cienia, w których śnieg osadza się łatwiej. Natomiast niewielki odstęp sprzyja osuwaniu się płatków śniegu. Zastosowanie tych modeli ma zatem na celu dostosowanie projektu do nieregularnego ukształtowania terenu i zbadanie wpływu, jaki ma to na rzeczywistą produkcję energii elektrycznej.