Lokalizacja elektrowni słonecznej zależy przede wszystkim od nasłonecznienia, ponieważ większa ilość promieniowania słonecznego pozwala panelom wyprodukować więcej energii elektrycznej. Teren powinien być także wolny od zacienienia, odpowiednio nachylony i dobrze zorientowany względem słońca. Właściwy wybór miejsca zwiększa wydajność instalacji, ogranicza straty oraz poprawia opłacalność jej eksploatacji.
Nasłonecznienie działki silnie wpływa na produkcję energii z paneli fotowoltaicznych, lecz samo w sobie nie przesądza o końcowym uzysku. Dwie instalacje o identycznej mocy mogą wytworzyć w ciągu roku różną ilość prądu, nawet jeśli znajdują się w tej samej miejscowości. Znaczenie mają także orientacja modułów, kąt ich nachylenia, zacienienie, temperatura ogniw, jakość komponentów oraz sprawność falownika. Ocena działki jest więc ważna podobnie jak dla właściciela domui inwestora planującego większą elektrownię słoneczną.
Rzetelna analiza pozwala określić, czy dostępna powierzchnia zapewni opłacalną produkcję, czy konieczne będzie zastosowanie dodatkowych rozwiązań projektowych.
Jak nasłonecznienie przekłada się na uzysk energii
Panele fotowoltaiczne reagują przede wszystkim na natężenie promieniowania słonecznego padającego na ich powierzchnię. Im większa irradiancja, tym wyższy chwilowy prąd generowany przez ogniwa. Roczna produkcja zależy jednak od sumy promieniowania w kolejnych miesiącach, a nie od pojedynczych słonecznych dni. W Polsce ważna część uzysku przypada na okres od marca do września, jednak zimą krótkie dni, niskie położenie słońca i zachmurzenie ograniczają generację.
Nasłonecznienie wyznacza potencjał instalacji, ale jej rzeczywistą wydajność określa cały łańcuch energetyczny – od promieniowania po energię oddaną do sieci.
Na lokalny uzysk wpływają przede wszystkim:
- Orientacja połaci względem południa – odchylenie na wschód lub zachód zmienia rozkład produkcji w ciągu dnia.
- Kąt nachylenia modułów – niewłaściwa geometria ogranicza ilość promieniowania docierającego do powierzchni panelu.
- Zacienienie – drzewa, kominy, sąsiednie budynki i elementy infrastruktury mogą powodować straty większe niż samo umiarkowane odchylenie od południa.
- Temperatura ogniw – wysoka temperatura obniża napięcie modułów i sprawność konwersji energii.
- Straty systemowe – przewody, falownik, zabrudzenia, niedopasowanie modułów i ograniczenia przyłącza zmniejszają energię końcową.
Kiedy działka o słabszym nasłonecznieniu nadal nadaje się pod fotowoltaikę
Mniej korzystne położenie nie musi uniemożliwiać inwestycji. Moduły skierowane na południowy wschód lub południowy zachód często umożliwiają satysfakcjonujący uzysk, choć produkcja jest przesunięta odpowiednio na poranek albo popołudnie.
Przy ograniczonej powierzchni można zastosować panele o wyższej mocy jednostkowej, optymalizatory lub mikroinwertery. Takie urządzenia ograniczają wpływ częściowego zacienienia, ponieważ każdy moduł pracuje bardziej obojętnie. Przed rozpoczęciem budowy wykonuje się analizę horyzontu i symulację rocznego uzysku. Uwzględnia ona położenie słońca, przeszkody terenowe, azymut, nachylenie oraz przewidywane straty. Dopiero taki bilans pokazuje, czy działka pozwoli osiągnąć zakładaną moc i produkcję. Samo określenie terenu jako „słonecznego” jest zbyt ogólne, aby prawidłowo ocenić efektywność elektrowni.
Jak położenie działki kształtuje uzysk z modułów
Nasłonecznienie działki określa ilość energii promieniowania słonecznego docierającego do jej powierzchni w ciągu roku. Dla projektanta elektrowni fotowoltaicznej ważna jest liczba godzin słonecznych, lecz przede wszystkim roczna suma napromieniowania, wyrażana w kWh/m². Uwzględnia ona promieniowanie bezpośrednie, rozproszone oraz wpływ zachmurzenia typowego dla danego regionu. W Polsce różnice między lokalizacjami nie są skrajne, ale mogą zauważalnie zmienić produkcję. Działka położona na południu i południowym zachodzie kraju najczęściej otrzymuje nieco większą dawkę energii niż teren północno-wschodni. Jeszcze wyższą wartość ma lokalne otoczenie: drzewa, kominy, maszty, sąsiednie budynki i ukształtowanie terenu. Cień padający na moduły nawet przez część dnia może obniżyć uzysk bardziej, niż wynikałoby z samej zacienionej powierzchni, ponieważ moduły są połączone w szeregi.
Największa produkcja przypada na godziny okołopołudniowe, lecz zacienienie w tym przedziale jest szczególnie dotkliwe dla rocznego bilansu. Przy analizie działki trzeba więc sprawdzić widok nieba, a także sezonową zmianę wysokości Słońca. Drzewo, które latem rzuca cień jedynie rano, zimą może ograniczać dostęp promieniowania przez większą część dnia. Na wydajność wpływa także kąt nachylenia paneli. W instalacjach stałych w polskich warunkach często stosuje się nachylenie około 25-40 stopni, zależnie od celu inwestycji, dostępnej powierzchni i konstrukcji. Zbyt mały kąt może pogarszać samooczyszczanie modułów, a zbyt duży zwiększa obciążenia wiatrem i utrudnia rozmieszczenie kolejnych rzędów. Należy zachować odstępy między rzędami, aby przednie konstrukcje nie zasłaniały tylnych, przede wszystkim zimą.
Czy południowa ekspozycja zawsze daje najlepszy wynik?
Nie w każdym przypadku. Orientacja południowa zapewnia najczęściej najwyższy uzysk roczny z pojedynczego kilowata, ale układ wschód-zachód może lepiej wykorzystać dużą powierzchnię dachu lub działki. Taka konfiguracja rozkłada produkcję na dłuższy czas i ogranicza wzajemne zacienianie rzędów przy małym kącie nachylenia.
Jak ocenić rzeczywiste straty na konkretnej działce?
Ocena powinna obejmować pomiar przeszkód, analizę horyzontu oraz symulację komputerową opartą na danych meteorologicznych. Program projektowy wyznacza między innymi azymut i wysokość przeszkód, kąt padania promieni w poszczególnych miesiącach oraz straty wynikające z zacienienia.
Dla dużych elektrowni wykonuje się analizę osobno dla każdego rzędu, ponieważ niewielka różnica wysokości terenu może zmienić profil cienia. Należy przemyśleć temperaturę modułów. Ich moc maleje wraz ze wzrostem temperatury ogniw, najczęściej o około 0,3-0,4% na każdy stopień Celsjusza powyżej warunków znamionowych. Dobra wentylacja tylnej strony paneli ogranicza tę stratę. Znaczenie mają także zabrudzenia, śnieg, niedopasowanie modułów, przewody oraz sprawność falownika. Dlatego nasłonecznienie wyznacza potencjał działki, lecz końcową wydajność elektrowni określa dopiero pełny bilans strat technicznych i środowiskowych.
Nasłonecznienie w lokalizacji elektrowni słonecznej zmienia się w rytmie dobowym i sezonowym, zależnie od geometrii Słońca oraz atmosfery.
Dobowe zmiany nasłonecznienia w lokalizacji elektrowni słonecznej
W ciągu nocy promieniowanie słoneczne nie dociera do powierzchni modułów, dlatego produkcja energii spada do zera.
Po wschodzie natężenie promieniowania rośnie, początkowo powoli, a następnie szybciej wraz ze zwiększaniem wysokości Słońca nad horyzontem. Najwyższe wartości występują zazwyczaj w pobliżu południa słonecznego, choć nie zawsze dokładnie o godzinie 12:00 czasu urzędowego. Wpływ mają długość geograficzna, czas letni, położenie względem południka strefowego oraz równanie czasu.
Na przebieg dobowy wpływa także orientacja i nachylenie generatora.
Sezonowe różnice promieniowania słonecznego i produkcji energii
Latem Słońce znajduje się wyżej nad horyzontem, a dzień trwa dłużej. Promienie padają na moduły pod korzystniejszym kątem, przez co dobowa suma napromienienia jest najczęściej największa. Zimą krótszy dzień, niska wysokość Słońca i częstsze zachmurzenie ograniczają uzysk. O sezonowej dostępności energii decyduje równocześnie długość dnia, wysokość Słońca i przepuszczalność atmosfery. Znaczenie lokalizacji można analizować przez następujące czynniki:
- szerokość geograficzna i wynikająca z niej wysokość Słońca,
- orientacja oraz kąt nachylenia modułów,
- zacienienie przez drzewa, budynki i ukształtowanie terenu,
- zachmurzenie, aerozole, mgły oraz lokalne opady śniegu.
Czy chmury całkowicie zatrzymują produkcję?
Nie, ponieważ promieniowanie rozproszone nadal dociera do modułów, choć uzysk jest mniejszy. Czy śnieg zawsze obniża produkcję? Tak, gdy zasłania powierzchnię paneli, lecz jego odbijalność może chwilowo zwiększać promieniowanie po usunięciu pokrywy. Czy najwyższa temperatura oznacza największą moc? Nie, ponieważ moduły tracą sprawność wraz ze wzrostem temperatury ogniw. Do oceny lokalizacji stosuje się dane wieloletnie, obejmujące podobnie jak napromienieniei zmienność zachmurzenia. Zimowe zacienienie obniża produkcję elektrowni słonecznej, ponieważ ogranicza ilość promieniowania docierającego do ogniw fotowoltaicznych.
W miesiącach zimowych problem nasila nisko położone słońce.
Jego promienie padają na moduły pod mniej korzystnym kątem, a cienie rzucane przez drzewa, kominy, sąsiednie budynki czy attyki wydłużają się i mogą obejmować większą część połaci. W tym samym momencie sama zima nie oznacza całkowitego zatrzymania instalacji. Moduły wykorzystują także promieniowanie rozproszone, dlatego produkują energię nawet przy zachmurzonym niebie. Krótszy dzień, częstsze chmury oraz ewentualna warstwa śniegu obniżają jednak uzysk jakkolwiek zacienienia. Śnieg zalegający na panelach działa jak nieprzezroczysta przeszkoda, jednak cienka warstwa szronu najczęściej ogranicza produkcję tylko przejściowo.
Jak zimowe zacienienie wpływa na pracę instalacji fotowoltaicznej?
Skala strat zależy od układu elektrycznego. W klasycznym łańcuchu modułów, czyli stringu, częściowe zacienienie jednego panelu może ograniczyć prąd całego szeregu. Diody bypass zmniejszają ten efekt, omijając zacienione sekcje, ale wiąże się to z utratą części mocy. Największe różnice pojawiają się wtedy, gdy cień przesuwa się po panelach w godzinach południowych, kiedy potencjalna produkcja jest najwyższa. Krótki cień rano lub późnym popołudniem zazwyczaj powoduje mniejszą stratę dobową.
Czy optymalizatory eliminują straty powodowane cieniem zimą?
Optymalizatory mocy i mikroinwertery ograniczają przenoszenie skutków zacienienia na pozostałe moduły. Każdy panel może wtedy pracować z własnym punktem mocy maksymalnej, co jest korzystne przy nieregularnym cieniu, różnym nachyleniu połaci albo obecności kilku przeszkód. Nie usuwają jednak fizycznej straty promieniowania: zacieniony moduł nadal otrzymuje mniej energii.
Przed montażem należy wykonać analizę trajektorii słońca dla miesięcy zimowych, a ocenę przeszkód latem.
Pomocne są symulacje 3D, pomiary zacienienia oraz kontrola rozmieszczenia modułów. W niektórych przypadkach lepszym rozwiązaniem będzie zmiana układu paneli, podział generatora na osobne stringi albo usunięcie przeszkody niż zastosowanie dodatkowej elektroniki.
