Źródło energii słonecznej dla bilbordów: jak doborujemy odpowiednią wielkość instalacji

Zacznij od obciążenia, a nie od ilości słońca

Większość klientów zaczyna od pytania: „Ile paneli potrzebujemy?”. My postawiamy dwa inne pytania: ile wat energii zużywa ekran i ile godzin dziennie pracuje?

Bilboard oświetlony lampami LED ma niewielkie obciążenie – zwykle kilka setów wat w przypadku dużych ekranów; warto jednak uzyskać te dane z specyfikacji producenta ekranu, a nie polegać na ogólnych założeniach. Bilboard cyfrowy z możliwością ruchu to zupełnie inna sprawa – jego obciążenie może sięgnąć kilku kilowatów, a pracuje całą dobę, a nie tylko w nocy. Jeśli oba aspekty (obciążenie i ilość słońca) nie zostaną uwzględnione przy projektowaniu, cena oferowana przez dostawców będzie błędna.

Cykliczność pracy urządzenia jest tak ważna, jak i jego moc (wata). Bilbordy wykorzystujące wyłącznie światło świecią od zmierzchu do świtu lub od zmierzchu do północy, jeśli obowiązują lokalne regulaminy ograniczające czas ich eksploatacji; natomiast ekrany cyfrowe działają nonstop (24 godziny na dobę). Energia zużywana w ciągu dnia, wyrażona w kWh, oblicza się mnożąc moc urządzenia (wata) przez czas jego pracy (w godzinach). Każda decyzja dotycząca konfiguracji systemu zależy od tego jednego wyniku.

Trzy liczby decydują o funkcjonowaniu systemu

Gdy energia zużywana w ciągu dnia jest ustalona, wybór odpowiedniego modelu urządzenia jest zależny od trzech kluczowych parametrów:

1. Autonomia baterii w dniach: Dla większości rynków przyjmujemy, że bateria zapewnia energię na okres 3 dni; w obszarach monsunowych lub tropikalnych, gdzie często występują długie okresy pochmurności, autonomia wynosi 5 dni. To jest nasze inżynieryjne założenie, a nie wymóg regulacji. Kupiec, który domaga się, aby autonomia baterii wynosiła tylko 1 dzień, poświęca dłuższy czas pracy urządzenia na zmniejszenie kosztów inwestycyjnych (capex) w zamian za baterię o mniejszej pojemności.
2. Możliwa pojemność baterii: Obliczamy energię potrzebną do zrealizowania całego okresu autonomicznego i dzielimy ją przez pojemność baterii, którą można efektywnie wykorzystać (ang. „usable depth of discharge” – DoD). W przypadku baterii typu LiFePO4 (lithium iron phosphate) projektujemy tak, aby pojemność baterii była używalna na poziomie około 80%, co jest konserwatywnym rozwiązaniem, uwzględniającym możliwe spadki jej wydajności z upływem czasu.
3. Moc panelu słonecznego: Podzielamy dzienną potrzebną energię na maksymalną ilość godzin słonecznych w danym obszarze, a potem dodajemy 25–35% jako uzupełnienie dla kosztów związanych z utratami energii w rzeczywistych warunkach eksploatacji: temperaturą baterii, zabrudzeniami, problemami z instalacją, efektywnością kontrolera i procesów przetwarzania energii.

Poniżej znajduje się przykład obliczeń, w których wykorzystano zaokrąglenia, aby łatwiej było zrozumieć procedurę obliczeń. Jest to tylko ilustracja, a nie oficjalna cena produktu.

Wystawienie: Sześć reflektorów LED o mocy 120 W, pracujących 10 godzin na noc → 7,2 kWh na dzień. Bateria: 7,2 kWh × 3 dni ÷ 0,8 (stopień wykorzystania baterii) → łącznie 27 kWh energii. Panele słoneczne: 7,2 kWh ÷ 4,5 godziny szczytowego nasłonecznego oświetlenia → wymagana minimalna moc paneli to 1,6 kW; z uwzględnieniem 30% strat energii, potrzebna moc to około 2,1 kW; do zrealizowania tego celu potrzebne są sześć modułów o mocy 400 W (łącznie 2,4 kW).

Kontroler: Kontroler jest kluczowym elementem, który łączy wszystkie komponenty w całość. Gdy stosunek napięcia pomiędzy panelami a baterią przekracza 1,5, wybieramy kontroler typu MPPT (Maximum Power Point Tracking); w przypadku wartości niższych niż 1,5 najlepszym rozwiązaniem inżynieryjnym jest kontroler typu PWM (Pulse Width Modulation). Nasz kalkulator do wyboru rozmiaru kontrolera wyboru rozmiaru kontrolera uwzględnia dane klienta przy wyborze odpowiedniego modelu, a kalkulator bilansu energii kalkulator bilansu energii pomaga obliczyć dzienną produkcję energii.

Pięć elementów systemu i ich wymagania: System słoneczny składa się z pięciu funkcjonalnych bloków: modułów słonecznych, baterii, kontrolera, samego wyświetlacza oraz systemu sterowania. Lista zawarta na tej stronie poprawnie opisuje te elementy. Co nie jest wzmiancowane w tym dokumencie, to to, jakim warunkom muszą odpowiadać każdy z tych elementów przez 15 lat, np. w środowisku na obramowaniu drogi lub na dachu budynku.

Moduły: Panele z monokrystalicznym siemieniem charakteryzują się najwyższą efektywnością przetwarzania energii na metr kwadratowy, co jest istotne, gdy są konkurowane z tradycyjnymi billboardami pod względem powierzchni montażu. Ustawienie paneli pod kątem odpowiadającym szerokości geograficznej lokalizacji maksymalizuje roczną wydajność; w regionach narażonych na cyklony kąt nachylania paneli jest ograniczony, a zamiast tego dodaje się kolejne rzędy paneli, ponieważ większy kąt nachylania powiększa też ich powierzchnię. Zabrudnienia stanowią poważną przeszkodę w efektywnym działaniu paneli – pył z dróg może w ciągu kilku tygodni zmniejszyć roczną wydajność o kilka procent, a kosztów czyszczenia nie przewyższają koszty dodatkowych paneli, które byłoby konieczne w takiej sytuacji.

Bateria: Baterie typu LiFePO4 są standardowym wyborem do przechowywania energii uzyskanej z paneli słonecznych: charakteryzują się długim okresem życia, nie wymagają żadnego konserwacji i mają dużo bardziej stabilną termiczną charakterystykę w porównaniu z starszymi typami baterii na bazie litu. System zarządzania bateriami (BMS – Battery Management System) równoważy pracę poszczególnych komórek baterii i ogranicza proces ładowania w przypadku przekraczenia dopuszczonych temperatur. Dodatkowa pojemność baterii zapewnia bezprzerwne działanie systemu nawet w deszczowe pogodowe warunki. Obudowa baterii wymaga specjalnych rozwiązań termicznych w gorących klimatach, gdy temperatura na dachu może przekraczać 45 °C w okresie letnim.

Controller (kontroler): Reguluje proces ładowania baterii i chroni ją przed uszkodzeniami. Montuj go w przewietrzanym, zacienionym miejscu; najczęściej występującym problemem jest uszkodzenie kontrolera, spowodowane nagromadzeniem ciepła w hermetycznie zamkniętym obiekcie umieszczenym na ścianie odwróconej na południe.

Ekran i system sterowania: Senor światła automatycznie włącza i wyłącza oświetlenie w zależności od pory dnia; regulacja jasności dostosowuje się do aktualnej godziny i poziomu oświetlenia w otoczeniu. Monitorowanie zdalne przekazuje informacje o stanie systemu poprzez sieć komutowaną, a sygnały ostrzegawcze dotarzają do zespołu obsługi dużo wcześniej niż sam ekran. W przypadku ekranów cyfrowych ten sam kanał nadaje dane telemetryczne, dzięki czemu operator może dowiedzieć się, o której dokładnie godzinie ekran wygasł (np. o 02:10), zamiast czekać do następnego bezpośredniego inspekcji na miejscu.

Struktura i lokalizacja obiektu: To elementy, które często ignorują kupujący. Tablica reklamowa przypomina „żagiel” – zarówno elementy paneli świetlnych, jak i sama powierzchnia ekranu są narażone na wpływ wiatru. Podkładka, na której znajdują się te elementy, stanowi element konstrukcyjny, o którym nikt nie myśli, dopóki nie zostanie przeprowadzony audyt inżynieryjny.

Pierwszy priorytet: obciążenie powodowane wiatrem; drugi: odporność na uszkodzenia. Konstrukcja ram musi wytrzymać obciążenie powodowane wiatrem, a także obciążenie wynikające z działania ekranu wyświetlającego informacje. W naszych projektach to właśnie ten aspekt może pokonać wszystkie inne zalety ekonomiczne, jeśli zostanie odkryty zbyt późno. Ochrona przed korozją jest niezbędna, zwłaszcza w obszarach nadmorskich i na drogach, gdzie występują sól, środki do odrywania śniegu oraz inne niekorzystne warunki środowiskowe. Naszym standardowym rozwiązaniem są ramy z stalu galwanizowanego, pokryte dodatkowym lakierem.

Podłączenie do ziemi i ochrona przed piorunami. Struktury reklamowe są wysokie i narażone na wpływy zewnętrznych czynników; prawidłowe podłączenie do ziemi chroni znajdujące się w nich elementy elektroniczne. Z naszego doświadczenia to pierwszy element, który jest wykreślony z tańszych ofert, a także pierwszy, który ulega uszkodzeniom podczas burz z piorunami.

Ochrona przed wpływem zewnętrznych czynników. Zbiorniki łącznicze, kontrolery oraz konektory znajdują się na zewnątrz przez cały okres eksploatacji (15 lat). Standardem jest poziom ochrony IP65; wszystkie rozwiązania gorsze od tego wymagają dodatkowych kosztów związanych z konserwacją.

Ochrona przed cieniem. Nowy budynek, rzęd drzew lub sam maszt reklamowego mogą rzucać cieniem na część elementów układu przez cały dzień. Konieczne jest dokładne przeprowadzenie analizy geometrycznej przed zamówieniem stali; nasze narzędzie do analizy cieni do analizy cieni umożliwia taką analizę z uwzględnieniem sezonowych zmian.

– Redundancja i konserwacja: Kluczowe elementy (kontroler, system zarządzania budynkiem, sensory) są magazynowane jako zamienniki w kilku lokalizacjach. Awaria kontrolera w odległym obszarze na autostradzie skutkuje koniecznością wysłania ciężarówki z nowym elementem zamiast prostego wymienienia uszkodzonego. Dwa razy do roku przeprowadzane są inspekcje, które sprawdzają stan połączeń, nacisku obrotowego, zabrudzeń oraz kondycję baterii – to właśnie zapewnia, że urządzenie będzie w pełni sprawne przez cały okres swojego 15-letniego życia użytkowego.

Digitalne bilbordy miejskie: połączenie energii słonecznej z siecią elektryczną przewyższa samodzielne korzystanie z energii słonecznej

Aby bilbordy digitalne pracowały przez 24 godziny w mieście, wykorzystanie wyłącznie energii słonecznej poza siecią elektryczną staje się szybko kosztowne – powierzchnia potrzebna do zainstalowania paneli słonecznych konkurowała z dostępnym miejscem na dachu budynków, a każdy huragan stanowi ryzyko dla dochodów. Rekomendujemy rozwiązanie hybrydowe, łączące energię słoneczną z siecią elektryczną: panele słoneczne zaspokajają potrzeby oświetlenia w ciągu dnia i zmniejszają koszty energii pochodzące z sieci, baterie zapewniają działanie bilbordu w przypadku awarii, a połączenie z siecią gwarantuje, że ekran nie zostanie wyłączony. Brak światła na bilbordzie oznacza utratę dochodów z reklam, a połączenie z siecią stanowi tani sposób na zabezpieczenie przed taką sytuacją.

Na odosobnionych obszarach, np. przy autostradach, rozszerzenie sieci może być droższe niż sam system słoneczny, więc w takich przypadkach wersja bilbordu działająca bez połączenia z siecią jest bardziej ekonomicznie opłacalna. Podobne zasady odnoszą się do schronów autobusowych, przestrzeni przed lotniskami oraz nadbudówek stacji paliw – tam obciążenie energetyczne jest niewielkie, położenie jest słoneczne, a połączenie z siecią nie stanowi problemu.

Mapa zastosowań solarnych oznaczających potencjalne lokalizacje instalacji jest szersza niż plakaty umieszczone na autostradach. Tablice reklamowe znajdują się w odosobnionych, słonecznych miejscach, gdzie rozwój sieci energetycznej jest kosztowny, więc korzystają najwięcej z energii słonecznej. Schroniska dla autobusów charakteryzują się niewielką ilością energii potrzebnej do działania oraz dużym ruchem osób; dlatego ważne są kompaktowe, integrowane rozwiązania techniczne. Lotniska i centra transportowe wymagają nie tylko dostarczenia energii, ale także wysokiej niezawodności systemów; ich duże powierzchnie dachów stanowią idealne miejsce dla instalacji paneli słonecznych. Stacje paliw, sklepy convenience, znaki informacyjne, stadiony oraz miejsca organizacji imprez pokazują podobny wzór: niewielka ilość energii potrzebna, słoneczne położenie, brak możliwości podłączenia do sieci energetycznej. W każdym przypadku metoda określania wymagań technicznych jest identyczna; zmienia się jedynie lista potrzebnych zasobów energetycznych.

Co oszczędza energia słoneczna, a co nie?

Trzy kluczowe aspekty:

– Elektryczność i koszty połączenia: Systemy solarne zmniejszają lub eliminują konieczność zakupu energii z sieci elektrycznej, a to eliminuje koszty wykonywania prac budowlanych (np. kopania rowów i montażu transformatorów) na odosobnionych obszarach. Na przykład na obiekcie położonym w odległości 20 km od najbliższego źródła zasilania, koszty połączenia z siecią mogą przewyższyć cenę samej instalacji solarnej. – Emisje CO2: Każdy kWh energii wyprodukowany przez system solarny oznacza, że nie został wyprodukowany przez sieć elektryczną ani generator na dieselu. Nasze porównanie emisji CO2 pomiędzy energią solarną a energią uzyskaną z generatora na dieselu (dokument /app-d3-diesel-vs-solar-co2) pokazuje, jak dużą oszczędność można uzyskać dzięki tym rozwiązaniom. – Zakłócenia w działaniu obiektu: Bez konieczności wykonywania prac budowlanych, bez potrzeby montażu transformatorów oraz bez przecinania dróg kablami – elementy systemu solarnego znajdują się bezpośrednio na samym obiekcie. To ważne zwłaszcza na atrakcyjnych turystycznie trasach oraz w obszarach o delikatnej środowiskowej charakterystyce, gdzie uzyskanie połączenia z siecią może wymagać dodatkowych procedur pozwoleń. – Ochrona dochodów: Bezprzerwna działalność systemu solarnego ma większe znaczenie dla firmy z sektora reklamy niż oszczędzenia na rachunkach energii. Połączenie energii solarnej z magazynem energii elektrycznej gwarantuje również lepszą jakość energii dostępnej do użytkowania.

Rozliczenie kosztów związanych z instalacją systemu solarnego sprowadza się do jednego porównania: kosztów rozszerzenia sieci elektrycznej oraz kosztów energii elektrycznej przez 15 lat w porównaniu z wydatkami na samą instalację systemu solarnego. Gdy sieć znajduje się w bliskiej odległości i cena energii jest niska, różnica między tymi kosztami jest mała, więc argumenty dotyczące emisji CO2 stają się decydującymi. Dodatkowymi wsparciami dla projektów solarnych są polityczne regulacje, dochody z handlu emisjami oraz kredyty za certyfikaty ekologiczne. Gdy sieć jest daleko, systemy solarne zwykle wygrywają bez problemu. Nasz kalkulator analizy ekonomicznej umożliwia przeprowadzenie tego porównania na podstawie Twoich cen energii i wydatków inwestycyjnych.

Odmawiamy realizacji projektów w trzech przypadkach: jeśli na miejscu instalacji nie ma 24-godzinnego wyświetlacza cyfrowego w warunkach niskiej ilości światła słonecznego oraz braku zabezpieczeń alternatywnych źródeł energii; jeśli na tym miejscu występują przeszkody, które nie mogą zostać usunięte; oraz jeśli projekt nie został sprawdzony pod kątem bezpieczeństwa przez uprawnionego inżyniera budowlanego. W pierwszych dwóch przypadkach decydują względy ekonomiczne, a w trzecim – kwestie bezpieczeństwa.

Co na tej stronie nie jest opisane

Ta strona dotyczy zasilania billboardów za pomocą energii fotowoltanicznej: obciążenia, magazynowania energii, procesu generowania energii, konstrukcji systemu oraz mechanizmów kontroli. Nie obejmuje aspektów zakupu ekranów wyświetlających, wymagań dotyczących godzin pracy oświetlenia, warunków wynajęcia terenu ani logistyki recyklingu baterii, ani nie może zastąpić specjalnych obliczeń konstrukcyjnych wymaganych dla danego miejsca. Proszę przesłać nam specyfikację ekranu wyświetlającego oraz koordynaty lokalizacji, a my pomogliśmy wycenić potrzebną wielkość systemu. Co do oświetlenia wokół obiektu (parkingi, drogi wejściowe, perimetry), nasze uliczne lampy solarne typu „all-in-one” [solarne typu „all-in-one”] są zbudowane według identycznych zasad inżynieryjnych, ale w mniejszym skali.