Efektywną metodę oceny potencjału solarnego budynków opracowali naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej. Używając danych z samolotów i dronów, wskazali dokładne miejsca, w których warto instalować panele fotowoltaiczne, aby faktycznie przynosiło to korzyści.
Rosnące zapotrzebowanie na alternatywne źródła energii, w tym energię słoneczną, to trend, który obserwujemy już od kilkudziesięciu lat. W ostatnich dwóch dekadach zdecydowanie przyspieszył, m.in. w związku z intensywnym rozwojem regulacji i technologii w Unii Europejskiej, w tym także w Polsce. To również naturalny kierunek, by budować i rozwijać zrównoważone środowiskowo inteligentne miasta.
Czy panele solarne mają sens w Polsce?
W naszym kraju w zależności od regionu słońce świeci łącznie nie dłużej niż 2 miesiące. W związku z tym wiele osób zadaje sobie pytanie, na ile efektywne będą instalacje fotowoltaiczne w polskim klimacie. Na to zagadnienie zwrócili także uwagę naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej.
Badacze z Wydziału Inżynierii Lądowej i Geodezji WAT przyjrzeli się panelom działającym w konkretnych lokalizacjach oraz sposobom pomiaru ich wydajności. Na podstawie autorskich badań i obserwacji opracowali efektywną metodę oceny potencjału solarnego budynków. Wykorzystali do tego obrazy z Bezzałogowych Statków Powietrznych (BSP), czyli drony, oraz dane uzyskane z lotniczego skanowania laserowego ALS, znanego jako LiDAR.
Zdaniem naukowców, to właśnie połączenie tych dwóch metod – zdjęć i modeli 3D wysokiej jakości z dronów oraz szczegółowych informacji o ukształtowaniu terenu ze skanowania laserowego – oraz wykorzystanie wiedzy o obiektach z Bazy Danych Obiektów Topograficznych (BDOT) pozwala najlepiej ocenić, gdzie warto wykorzystać panele fotowoltaiczne.
Dotychczas wykorzystywano zazwyczaj otwarte dane z lotniczego skanowania laserowego, które jednak często są nieaktualne lub charakteryzują się niską rozdzielczością. Pozyskanie nowych, wysokorozdzielczych danych LiDAR wiąże się z kolei z wysokimi kosztami. Włączenie do analizy obrazów z dronów pozwoliło zespołowi uzyskać kompletny zestaw pomiarów z różnych wysokości, a tym samym stworzyć metodę niedrogą, wygodną i precyzyjną. Szczegółowość ma w tych badaniach kluczowe znaczenie, ponieważ na efektywność paneli fotowoltaicznych wpływają nawet niewielkie obiekty, takie jak komin zacieniający połowę dachu czy drzewo na posesji sąsiada.
Skuteczność potwierdzona testami
Wysoką skuteczność autorskiej metody potwierdziły testy, które zespół przeprowadził na terenie wysoce zurbanizowanym, reprezentowanym w badaniach przez rozbudowany kampus Wojskowej Akademii Technicznej, oraz w terenie o niskim zagęszczeniu budynków – w mazowieckiej wsi Wodziczna. Na tej podstawie badacze przygotowali szczegółowe mapy, które jasno pokazują potencjalną produkcję energii elektrycznej. Zastosowana metoda pozwoliła na precyzyjne określenie parametrów dachów, takich jak nachylenie i orientacja, a także dokładne oszacowanie ilości promieniowania słonecznego padającego na powierzchnie w ciągu roku.
Metody identyfikacji i analizy powinny być szybkie, dokładne i niedrogie. Brak informacji o dziennym czy rocznym nasłonecznieniu specyficznym dla każdego budynku ogranicza zdolność inwestorów do analizy potencjału fotowoltaicznego. Aby go oszacować, bierzemy pod uwagę lokalizację geograficzną, kształt dachu, jego nachylenie oraz zacienienie. To jednak nie wszystko, bo liczy się też pozycja Ziemi względem Słońca, ukształtowanie terenu czy atmosfera. Dopiero uwzględnienie tych wszystkich czynników pozwala na rzetelną ocenę – zauważa dr inż. Paulina Jaczewska.
Uzyskane dane pozwoliły na identyfikację dachów o największym potencjale instalacji paneli fotowoltaicznych. Naukowcy teorię postanowili zestawić z praktyką. W tym celu skorzystali z możliwości sztucznej inteligencji. Wykorzystali techniki głębokiego uczenia w profesjonalnym oprogramowaniu ArcGIS Pro, aby system automatycznie wykrywał na uzyskanych zdjęciach już istniejące instalacje fotowoltaiczne.
Koniec z budową w ciemno
Zastosowanie deep learningu umożliwiło sprawną ocenę efektywności tych instalacji – badacze porównali wyniki z map potencjału produkcji energii elektrycznej, czyli z szacunkami, ile prądu wygenerują w danym miejscu systemy PV, z rzeczywistymi wynikami produkcji prądu w poszczególnych budynkach, które brały udział w badaniu.
Zgodnie z wnioskami z badań przeprowadzonych przez zespół z WAT dla wybranych lokalizacji i budynków możliwa jest produkcja prądu, która pokrywa – a często nawet przewyższa – roczne zapotrzebowanie typowego gospodarstwa domowego. Podczas gdy średnie zużycie energii przez polską rodzinę (3–4 osoby) wynosi od 2 do 3,5 MWh rocznie, analiza najbardziej precyzyjnych danych z drona wykazała, że potencjał badanych dachów w Wodzicznej zaczynał się od 3,7 MWh. Oznacza to, że dach domu jednorodzinnego to w rzeczywistości mała elektrownia, która nawet przy minimalnych parametrach oferuje zapas mocy wystarczający do zaspokojenia podstawowych potrzeb energetycznych mieszkańców.
Co ciekawe, opracowana mapa nie tylko wskazuje miejsca, w których opłaca się budować nowe instalacje fotowoltaiczne, ale także pokazuje duży, niewykorzystany potencjał już istniejących budynków. Jego zagospodarowanie mogłoby przyczynić się do znacznego obniżenia rachunków za prąd.
Autorzy udostępnili dodatkowo kod w języku Python, który służy do automatyzacji obliczeń mocy pojedynczego panelu oraz rocznej produkcji energii.
Stałemu wzrostowi zapotrzebowania na energię fotowoltaiczną towarzyszy potrzeba poprawy wydajności i niezawodności instalacji fotowoltaicznych. Bez zrozumienia istniejącej infrastruktury i jej potencjału nie jest to możliwe. Nasza metoda pozwala na uzyskanie ekonomicznej wydajności z jednoczesnym poszanowaniem środowiska i inwestorów. Korzyści z racjonalnego planowania infrastruktury są długofalowe – przekonuje mgr inż. Hubert Sybilski.
Wyniki wypracowane przez zespół z Wojskowej Akademii Technicznej mogą być wykorzystane zarówno przez każdego posiadacza domu i wspólnoty mieszkaniowe, jak i przez samorządy, deweloperów i inwestorów do lepszego zaplanowania instalacji solarnych, na przykład na budynkach użyteczności publicznej. Badania opisano w czasopiśmie „Energies”.
Dominika Naruszko, źródło: WAT
Super, że "ustalili, gdzie warto montować panele solarne". A co z płonącymi dachami pod solarami, nic nadal nie wiadomo. Nawet Kościół się spalił gdzie beton i blacha dominowały. No to gdzie najlepiej instalować i te dachy przeklęte mają nadal palić się?