Jednym z zasadniczych czynników wpływających na produkcję energii elektrycznej przez panele słoneczne jest, jak sama nazwa wskazuje, poziom nasłonecznienia. Postanowiliśmy przeanalizować jakie czynniki i w jaki sposób wpływają na ilość energii słonecznej docierającej do paneli fotowoltaicznych. Myśląc o instalacji zazwyczaj nie bierzemy tych elementów pod uwagę oraz nie rozmawiamy o nich z Doradcą. Mając jednak na uwadze, że to one mają istotny wpływ na uzyski z instalacji fotowoltaicznej chcemy je przybliżyć potencjalnym Inwestorom. Dzięki temu będą mogli w pełni świadomie mogli podejmować decyzje o zakupie oraz dowiedzą się jakie elementy (poza dobrym doborem technicznym, o którym pisaliśmy tutaj) wpływają na wydajność ich instalacji.

Szerokość geograficzna

Panele fotowoltaiczne produkują maksymalną ilość energii w sytuacji, gdy są oświetlone prostopadle do swojej powierzchni. W Polsce niestety słońce nie świeci w zenicie, więc instalatorzy starają się skompensować ten fakt montując panele pod odpowiednim kątem. Im dalej na północ tym mniejszy jest kąt padania promieni słonecznych i tym mniej energii dociera do paneli, co jest bezpośrednią konsekwencją nachylenia osi Ziemi do płaszczyzny ekliptyki (patrz Rysunek 1). Przeważnie większość danych podaje się dla Warszawy, ale należy pamiętać, że Polska obejmuje prawie 6 stopni szerokości geograficznej północnej od 49 do 54,5 stopnia, co ma konkretnywpływ na poziom i kąt nasłonecznienia.

Łączy się to również z godzinami wschodów i zachodów słońca, czyli czasem nasłonecznienia. Dla porównania w dn. 28-06-2022 słońce wschodzi w Jastrzębiej Górze – najbardziej na północ wysuniętym miejscu Polski (szer:54.8356, dług:18.3278) o godz. 4:08, natomiast na szczycie Opołonek w Bieszczadach – najbardziej na południe wysuniętym miejscu Polski (szer:49.0025, dług:22.8472) tego samego dnia słońce wschodzi o godz. 4:24. (Lokalizację tych punktów widać na mapce na Rysunek 2.) Natomiast zachód słońca w Jastrzębiej Górze następuje o godz. 21:31, podczas, gdy na szczycie Opołonek ma miejsce o godz. 20:38. Zatem różnica w czasie promieniowania wynosi 69 min, ale ze względu na kąt padania promieni nie przekłada się to na większą energię dostarczoną wraz z tym promieniowaniem. W miesiącach zimowych ta tendencja się odwraca i na południu dzień jest dłuższy niż na północy.

Ponieważ oszacowanie ilości energii dostarczanej przez słońce tylko na podstawie kąta nachylenia i czasu nasłonecznienie nie jest sprawą prostą powstają specjalne serwisy informacyjne. Ilość nasłonecznienia można sprawdzić na przykład na stronie https://globalsolaratlas.info, gdzie można samemu przeanalizować, jaki potencjał energetyczny niesie ze sobą promieniowanie słoneczne w rejonie gdzie mieszkamy. Przykład podajemy na Rysunek 3, gdzie jest wizualizacja tylko dla określonej produkcji mocy. Na tym portalu można też, dla określonej lokalizacji, uzyskać informacje dotyczącą mocy dla normalnego nasłonecznienia z metra kwadratowego panelu w kWh/m². Z tego portalu można też uzyskać dane opracowane dla wybranego kraju w formie pdf-a, a także pobrać dane w formie cyfrowej.

Pory roku

Największy wpływ na nasłonecznienie mają pory roku, czyli znowu ustawienie Ziemi względem Słońca, ale nie tylko, bo w tym wypadku dochodzi jeszcze taki czynnik jak zachmurzenie. Jeśli popatrzymy na Rysunek 4 to zobaczymy, jak rozkładają się statystycznie takie czynniki jak: czas naświetlenia, czas zachmurzenia i godziny nocne w poszczególnych miesiącach. Prezentowane są na nim zagregowane dane wieloletnie dla Warszawy.

Inną wizualizację ruchu słońca zależnie od pór roku, tym razem dla Tarnawy Niżnej (zlokalizowanej przy południowo-wschodniej granicy Polski) prezentuje Rysunek 7. Widzimy tam wykres ruchu słońca nad horyzontem w czterech najbardziej charakterystycznych momentach roku.

Mają one też istotny wpływ w chwili, gdy założymy już instalację fotowoltaiczną, bo przeważnie przechodzimy na taryfę G12, czyli taryfę, w której mamy dwie ceny prądu: szczytową i pozaszczytową w zależności od godzin zapotrzebowania na prąd. Jak widzimy na Rysunek 5 produkcja prądu z paneli latem znacznie przekracza zapotrzebowanie prosumenta (zielona linia) i czas ich pracy jest porównywalny z czasem trwania godzin szczytu (czerwona linia), podczas gdy zimą pracujące panele nie pokrywają nawet bieżącego zapotrzebowania prosumenta na energię (autokonsumpcji).

Zachmurzenie

O ile czynniki astronomiczne wykazują małą zmienność, o tyle zmiany klimatyczne zaczynają być coraz bardziej dynamiczne. W przypadku uzyskiwania energii elektrycznej z paneli najbardziej interesują nas takie czynniki jak zachmurzenie i temperatura. Zachmurzenie nie zawsze wiąże się z opadem, ale jeśli pada to już na pewno nie świeci słońce, więc mapy opadów pokazują też obszary, które są mniej i bardziej nasłonecznione.

Jak to widać na Rysunek 6 Lubelszczyzna i Podkarpacie były w październiku 2021r. najbardziej nasłonecznionym regionem kraju, w przeciwieństwie do Środkowego Wybrzeża, gdzie opadów było najwięcej. Widać tu wyraźnie wpływ klimatu atlantyckiego wraz z oddziaływaniem Bałtyku na polski klimat, bo poziom opadów największy na północnym-zachodzie i maleje w kierunku południowo-wschodnim, gdzie oddziałuje coraz bardziej klimat kontynentalny.

Czynnikami, o których często zapominamy mówiąc o produkcji energii są: udział promieniowania rozproszonego oraz przezroczystość atmosfery. Oba te czynniki występują nawet w dni pochmurne.

Ukształtowanie terenu

Wpływ na czas pracy paneli ma też ukształtowanie terenu, bo co prawda w terenach górskich sytuuje się panele na południowych stokach, ale otaczające góry mogą zasłaniać słońce, czyli powodować, że ono później wschodzi i wcześniej zachodzi, co widać na Rysunek 7 na przykładzie Tarnawy Niżnej. Profil terenu jest na nim zwizualizowany jako szary obszar „rozwinięty” na poziomej osi obrazującej kierunki geograficzne.

Temperatura

Temperatura zdecydowanie wpływa na produkcję energii z paneli fotowoltaicznych. Temperatura pracy odgrywa kluczową rolę w procesie konwersji fotowoltaicznej. Zarówno elektryczna efektywność, jak i moc modułu fotowoltaicznego zależy liniowo od temperatury pracy. Nie jest prawdą, że im cieplej tym lepiej dla pracy paneli. Zaznaczone na Rysunek 8 punkty, to miejsca mocy maksymalnej, czyli miejsca, w których iloczyn napięcia i natężenia prądu jest największy.

Biorąc pod uwagę negatywny wpływ wzrostu temperatury ogniwa na sprawność, należy zapewnić odpowiednie chłodzenie – wentylację dla modułów. Zadanie to jest realizowane przez odpowiedni montaż modułów, zapewniający swobodny przepływ powietrza przy instalacji, lub w połączeniu z systemem hybrydowym, czyli z kolektorami słonecznymi, dzięki którym ciepło generowane przez generator PV jest wykorzystywane do konwersji na ciepło użytkowe w instalacjach ciepłej wody i centralnego ogrzewania [1.].

Wiatr

Obciążenie wiatrem jest istotnym problemem i należy je wziąć pod uwagę podczas projektowania instalacji solarnych wolnostojących lub na dachach. budynków. Siła wiatru, która wzrasta wraz z kwadratem jego prędkości, jest zależna od rodzaju, wielkości i układu pobliskich obiektów oraz od kierunku jego przepływu. W zależności od formy i kąta nachylenia instalacji, a tym samym i dachu, nawietrzna strona instalacji narażona jest na parcie wiatru, podczas gdy zawietrzna strona jest narażona w równym stopniu na ssanie wiatru [3.]

Informacje o prędkości i sile wiatru można uzyskać na portalu https://globalwindatlas.info/ nie tylko dla terenu Polski, ale całego świata.

Renomowani producenci paneli testują swoje rozwiązania na działania silnego wiatru. Natomiast istotne znaczenie ma odpowiedni dobór stelaży pod kątem ich wytrzymałości mechanicznej.

Opady

Chmury związane z deszczem ograniczają produkcję energii przez panele, ale sam deszcz ma pozytywny wpływ, bo oczyszcza moduły z zabrudzeń, które się na nich z czasem gromadzą. Panele są pokrywane tzw. powłoką samooczyszczającą. Jest to impregnacja mikroskopijną nanopowłoką hydrofobową, która powoduje odpychanie kropel wody, które spływają po powierzchni zabierają ze sobą cząsteczki brudu.

Jeśli chodzi o opady śniegu, to są one coraz mniejsze na terenie Polski w związku ze zmianami klimatu. Panele fotowoltaiczne zazwyczaj są montowane pod pewnym kątem do powierzchni ziemi. W takim przypadku ciśnienie obciążeniem śniegu ma niższą wartość w stosunku do działającego na powierzchnię poziomą. To nachylenie powoduje, że śnieg szybko topnieje i ześlizguje się z paneli.

Jeśli chodzi o opady gradu, to w przeciwieństwie do śniegu są one coraz częstsze. W związku z tym renomowani producenci paneli testują swoje rozwiązania na odporność na grad, np. do 2,5 cm. Panele fotowoltaiczne pokrywane są hartowanym szkłem o grubości 3-4 mm, więc ich uszkodzenie nie jest wcale takie łatwe.

Bibliografia:

1. Mirosław MAZUR, Janusz PARTYKA, Tomasz MARCEWICZ, Wpływ temperatury na sprawność baterii słonecznych, Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R. 92 NR 8/2016, str. 109-112, doi:10.15199/48.2016.08.3
2. Miętus, Komunikat Biura Prasowego IMGW-PIB, Charakterystyka wybranych elementów klimatu w Polsce w październiku 2021 roku, Warszawa, 19.11.2021, Serwis pogodowy: meteo.imgw.pl
3. Damian GŁUCHY, Dariusz KURZ, Grzegorz TRZMIEL, Wpływ wiatru i śniegu na instalacje fotowoltaiczne w Polsce, Academic Journals of Poznań University of Technology, Electrical Engineering, Nr 74, 2013, str. 253-260.
4. Janusz Podogrocki, Warunki klimatyczne i meteorologiczne do wykorzystania energii promieniowania słonecznego w warunkach Polski, Zespół Aktynometrii Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej, http://solis.pl/index.php/pliki_do_pobrania/publikacje_artykuly/warunki _do_wykorzystania_energii_promieniowania_slonecznego_w_polsce, dostęp: 29.06.2022.