Nachricht

Apr 06, 2024

Schnee abwerfen und Energie tanken: Forscher suchen nach Möglichkeiten, die Solarenergie in schneereichen Klimazonen zu steigern

Das Leben auf der Keweenaw-Halbinsel bietet ein kurzes Wetterfenster für Sommeraktivitäten, aber ganzjährige Möglichkeiten für Solarenergie, schreibt die Forscherin Ana Dyreson, Assistenzprofessorin für Maschinenbau.

Das Leben auf der Keweenaw-Halbinsel bietet ein kurzes Wetterfenster für Sommeraktivitäten, aber ganzjährige Möglichkeiten für Solarenergie, schreibt die Forscherin Ana Dyreson, Assistenzprofessorin für Maschinenbau. In diesem Gastblog beleuchtet sie die Bemühungen des nördlichsten regionalen Testzentrums des Landes zur Verbesserung der Photovoltaikleistung in kalten Klimazonen.

Jeder, der einen Winter an der Michigan Tech verbracht hat, kann die Beobachtungen von Dr. Isaacs nachvollziehen. Nur wer die Schneesaison von Oktober bis Mai bewältigen kann, kann hier erfolgreich sein, sei es mit Skiern, Schneeschuhen, Schneemobilen oder seinen eigenen unerschrockenen Fahrkünsten. Wer mutig und unternehmungslustig genug ist, es auszuprobieren, kann für jede Herausforderung eine Lösung finden.

Das Gleiche gilt für die Schaffung widerstandsfähiger und anpassungsfähiger elektrischer Energiesysteme in kalten Klimazonen. Technologien wie Photovoltaik-Solarmodule, die sich zunächst in sonnigen Klimazonen verbreiteten, werden in schneereichen Klimazonen immer häufiger eingesetzt. Wenn Ingenieure Systemdesigns anpassen können, kann Solarenergie für unser Klima optimiert werden. Die Lektionen, die wir hier mit extremen Schneefällen lernen, sind hilfreich für andere Orte, an denen es regelmäßig schneit.

Während einige dazu neigen, an Solarenergie im kleineren Maßstab zu denken – für Häuser oder einzelne Einrichtungen –, sind etwa 65 % der Solarkapazität in den USA im Versorgungsmaßstab. Solarphotovoltaik (PV) stellt die größte Technologiekategorie bei neuen Anlagen im Versorgungsmaßstab in den USA dar, und es wird erwartet, dass sich das Wachstum dieses Sektors in den kommenden Jahrzehnten noch beschleunigen wird.

Große PV-Installationen und andere Makrotrends wie Dekarbonisierung und Elektrifizierung sind globale Trends. Ich glaube jedoch, dass ihr Erfolg davon abhängt, ob Designer die spezifischen Merkmale des regionalen Klimas und soziale Barrieren auf Gemeindeebene berücksichtigen.

Die Entwicklung von PV-Systemen für kalte, hohe Breitengrade und schneereiche Klimazonen – insbesondere zur Reduzierung der Zeitspanne, in der PV-Systeme mit Schnee bedeckt sind – ist eine wichtige regionale Herausforderung. Meine Forschung konzentriert sich darauf, die Leistung im Winter zu verbessern und die Auswirkungen hoher Durchdringungen von Solar-PV auf das Stromsystem zu verstehen.

Als Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Michigan Tech leite ich die Great Lakes Energy Group. Die Arbeit des Gruppenmitglieds Ayush Chutani, einem Ph.D. Student, veranschaulicht unsere Mission. Chutanis Forschung konzentriert sich auf die Schneebeschattung, die den Zustand beschreibt, der auftritt, wenn der Schnee auf den Modulen tief genug ist, um die Photovoltaik daran zu hindern, Strom zu erzeugen. Sein Ziel ist es, das Design von Solar-PV-Systemen mit einachsiger Nachführung zu optimieren, um Schneebeschattung zu minimieren und so die Energiemenge zu erhöhen, die ein PV-System im Laufe eines Winters produzieren kann.

In großen Solaranlagen sind die Solaranlagen entweder fest geneigt, d. h. sie bewegen sich überhaupt nicht, einachsig nachgeführt oder zweiachsig nachgeführt. Einachsige Nachführsysteme, derzeit die häufigste Option für neue Anlagen, drehen sich im Laufe des Tages automatisch von Ost nach West und folgen dabei der Sonne. Zweiachsige Nachführsysteme können sich sowohl auf der Nord-Süd-Achse als auch auf der Ost-West-Achse bewegen und bieten so eine höhere Energieausbeute bei höheren Kosten.

Unabhängig von der Nachverfolgungsart ist es nicht so praktisch oder einfach, Schnee zu entfernen, wenn ein großes Solarkraftwerk bedeckt ist, wie es bei einer kleinen Wohnanlage der Fall sein kann. Unsere Forschungsgruppe sieht eine Möglichkeit, die Schneeabschattung bei einachsigen Nachführungssystemen zu reduzieren, indem die Position der Panels geändert und die Nachführung optimiert wird, um Schneeansammlungen abzuwerfen. Wir beobachten die Schneedecke und die Umgebungsbedingungen in Echtzeit, während die Panels nachverfolgen. Wie fördert die Positionierung, dass schmelzender Schnee von den Paneelen fällt? Wie können wir die Position für den Schneeabwurf optimieren, indem wir Windgeschwindigkeit, Einstrahlung und Temperatur berücksichtigen?

Sehen Sie, wie Dyreson und zwei ihrer Forschungsstudenten in einem Husky Bites-Video-Webinar 2023 ihre Erkenntnisse teilen und Fragen des Publikums beantworten.

Chutanis Forschung wird durch eine großzügige Spende von Array Technologies ermöglicht. Ende 2022 installierte das Unternehmen im Michigan Solar Regional Test Center (RTC), einer vom US-Energieministerium (DOE) ausgewiesenen Einrichtung, ein netzgebundenes einachsiges Tracking-Solar-PV-System mit 10 Reihen und 33 Kilowatt hat seinen Hauptsitz in den Advanced Power Systems Laboratories von Michigan Tech. Es ist eines von fünf RTCs – und das nördlichste –, das vom Sandia National Laboratory verwaltet wird. Chutanis Arbeit wird auch durch Mittel von Sandia über das Büro für Solarenergietechnologien des DOE unterstützt.

Das von Array Technologies installierte System hat die Grundfläche des in Keweenaw ansässigen Forschungstechnologiezentrums ungefähr verdoppelt und bildet eine Grundlage für Beobachtungsstudien, die sowohl von Michigan Tech als auch von Forschungsteams des Unternehmens durchgeführt werden, während wir nach Möglichkeiten suchen, den Systembetrieb in kalten und schneereichen Klimazonen zu verbessern.

Chutani hofft, mithilfe eines Schneesensorsystems, das er letzten Winter installiert hat, neue Algorithmen entwickeln zu können. Die Sensoren werden für neue intelligente Steuerungen der einachsigen Trackingsysteme verwendet, um ihre Position vor, während oder nach beobachtetem Schnee anzupassen.

Anhand unseres ersten Winters können wir anekdotisch erkennen, dass die Position der Paneele nicht die einzige Variable ist, die zählt – Windgeschwindigkeit und -richtung sowie Temperatur interagieren mit Schnee und Sonne und beeinflussen den Zeitpunkt, zu dem der Schnee fällt. Wenn Chutani erfolgreich ist, kann die elektrische Leistungsabgabe erhöht und die im schlimmsten Fall auftretende Schneelast, die die mechanische Konstruktion der Tragstrukturen einschränkt, reduziert werden.

[email protected] 906-487-1173

Forscherprofil

Die Verbesserung des Betriebs von PV-Systemen in kalten Klimazonen verbessert die Kosteneffizienz und löst letztendlich eine der größten Herausforderungen in Bezug auf Klimawandel und Nachhaltigkeit: die Reduzierung der Kohlenstoffintensität der Stromversorgung. Die beharrliche und unternehmungslustige Denkweise, mit der wir Lösungen finden – und auch das Leben im Keweenaw – kommt uns bei der Bewältigung dieser Aufgabe zugute.

Die Great Lakes Energy Group arbeitet weiterhin an zahlreichen Projekten, bei denen die Einbeziehung regionaler Gesichtspunkte im Vordergrund steht. Angesichts der zunehmenden globalen und nationalen Investitionen in saubere Energie ist die Einbeziehung des regionalen Klimas in die Systemgestaltung von größter Bedeutung. Ob Solar-PV, alte Erdgaskraftwerke, Wärmepumpen oder Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge – unsere Strategie besteht darin, die besten verfügbaren Wetter- und Klimadaten zusammen mit dem lokalen Kontext zu nutzen, um nach nachhaltigen Lösungen zu suchen, die sozial und technisch für das nördliche Klima geeignet sind.

Die Michigan Technological University ist eine öffentliche Forschungsuniversität, die 1885 in Houghton, Michigan, gegründet wurde und mehr als 7.000 Studenten aus 55 Ländern auf der ganzen Welt beherbergt. Michigans Flaggschiff-Technologieuniversität zählt regelmäßig zu den besten Universitäten des Landes in Bezug auf Kapitalrendite und bietet mehr als 120 Bachelor- und Masterstudiengänge in den Bereichen Naturwissenschaften und Technologie, Ingenieurwesen, Informatik, Forstwirtschaft, Wirtschaft, Gesundheitsberufe, Geisteswissenschaften, Mathematik und Sozialwissenschaften an Wissenschaften und Künste. Der ländliche Campus liegt nur wenige Kilometer vom Lake Superior auf der oberen Halbinsel von Michigan entfernt und bietet das ganze Jahr über Möglichkeiten für Outdoor-Abenteuer.