Czy cień padający na fotoogniwa może obniżyć ich sprawność?

Montaż paneli fotowoltaicznych a problem zacienienia

Podstawowe reguły montażu paneli fotowoltaicznych są proste:

• panele nie mogą być zacienione przez budynki, drzewa, kominy itd.;
• powinny być skierowane w kierunku o intensywnym nasłonecznieniu, najlepiej wprost na południe;
• uznawany za optymalny kąt ich nachylenia względem poziomu wynosi 35°, z zastrzeżeniem, że tu akurat tolerancja jest dość duża.

Zacienienia należy koniecznie unikać. Nie chodzi tylko o rzecz oczywistą, że w strefie cienia moc promieniowania słonecznego jest wielokrotnie mniejsza. Nawet zacienienie pojedynczych ogniw jest szkodliwe. Nie tylko znacznie zmniejsza uzysk energii, ale powoduje również silne nagrzewanie się tych zacienionych ogniw. Z tego względu obecnie produkowane panele mają tzw. diody bocznikujące, które niejako wyłączają moduły z takimi ogniwami z szeregu. Ale możliwości tego rozwiązania są ograniczone, a uzysk energii i tak spada. Dlatego problemem jest nie tylko cień o dużej powierzchni, rzucany np. przez sąsiedni budynek, ale nawet jego skrawek spowodowany obecnością komina, lukarny, a nawet anteny na dachu.

Zdecydowanie należy odradzić instalowanie kolektorów od północy. Nasłonecznienie zawsze będzie tam słabe, a większość promieniowania rozproszona, przez co jeszcze trudniejsza do wykorzystania. Ideałem jest zaś skierowanie na wprost na południe. Jeśli zaś to niemożliwe to nieco korzystniejszy jest kierunek południowo-zachodni niż południowo-wschodni (o północnym zapomnijmy). Odchylenie do 45° może przy tym spowodować spadek uzysku energii wynoszący około 20%. To dużo, ale zachowajmy jednak zdrowy rozsądek i nie decydujmy się np. na teoretycznie korzystniejszą stronę świata, lecz równocześnie miejsce, gdzie cień rzucają duże drzewa. To będzie gorszy wybór.

Z problemem zacienienia i orientacji względem stron świata wiążą się też utrudnienia występujące, gdy zechcemy umieścić panele na różnych połaciach dachu (przeciwnych lub ustawionych pod kątem). Przecież, gdy jedna połać dachu znajdzie się w pełnym słońcu, druga może być zacieniona. Wymaga to szczególnej staranności, podziału całości na części o zbliżonym nasłonecznieniu i dobrania automatyki uwzględniającej te różnice. Choćby falownika, czyli urządzenia zmieniającego prąd stały z ogniw na przemienny, czyli taki jak występujący w instalacji domowej.

W polskich warunkach za najkorzystniejszy dla fotowoltaiki kąt nachylenia względem poziomu uznaje się 35°. To o 10° mniej stromo niż w przypadku kolektorów słonecznych. Jednak w przypadku obu tych instalacji dopuszczalna jest spora swoboda i kąt może wynosić od 25 do 60°. Różnice w uzysku energii wyniosą około 10% w skali roku. Trzeba tu od razu wyjaśnić, że kąt 35° jest najkorzystniejszy właśnie ze względu na ostateczny uzysk energii liczony w skali całego roku. Kąt padania promieni słonecznych zmienia się jednak zależnie od pory roku, bo latem słońce znajduje się znacznie wyżej nad horyzontem niż zimą. Zwykle nie ma jednak sensu optymalizowanie kąta nachylenia zgodnie z zasadami stosowanymi w przypadku kolektorów.

Zalecane kąty nachylenia są tam następujące:

• 20-45° - gdy celem jest zwiększenie uzysku energii latem, bo np. dogrzewamy w ten sposób basen;
• 45-90° - jeżeli zależy nam na poprawie parametrów poza sezonem letnim, bo kolektory wykorzystujemy także do dogrzewania budynku.

W systemach PV to się jednak nie sprawdza poza bardzo szczególnymi przypadkami. Bowiem najczęściej większość wyprodukowanej energii elektrycznej (około ¾) i tak trafia do sieci, skąd możemy ją potem odebrać. System energetyczny jest więc dla nas swoistym akumulatorem, priorytetem jest właśnie możliwie duża produkcja prądu w cyklu rocznym, nie zaś jej sezonowe zróżnicowanie.

Zasadniczo są jednak dwa specyficzne przypadki, kiedy to bardziej poziome - letnie - ustawienie może być uzasadnione. Po pierwsze, jeżeli używamy w domu klimatyzatorów, i to na tyle często, że spożytkowują one bardzo znaczną część wytwarzanego prądu. Innymi słowy, nie trafia on do sieci, lecz zasila klimatyzację bezpośrednio. Wówczas warto przynajmniej sprawdzić, czy taki wariant ustawienia nie będzie korzystniejszy. Dla fachowca dysponującego odpowiednim oprogramowaniem nie będzie to trudne.

Po drugie, zdarzają się instalacje słoneczne w ogóle nie podłączone do sieci, najczęściej w domkach letniskowych. Wtedy pracują one praktycznie tylko latem, zasilają przy tym bezpośrednio różne urządzenia, a nadmiar energii trafia do akumulatorów. Nie jest to może popularne rozwiązanie, ale trzeba przyznać, że przy takiej specyfice zapotrzebowania na prąd skupienie się wyłącznie na sezonie letnim ma sens.

Montaż paneli fotowoltaicznych na budynku czy na gruncie?

O ile mamy pustą połać dachu skierowaną na południe to umieszczenie na niej paneli PV jest dość oczywistą decyzją. Jednak często dostępna powierzchnia może być zbyt mała, nieustawna, czy wreszcie obawiamy się po prostu wpuszczać kogokolwiek na dach - choćby ze względu na ryzyko uszkodzenia pokrycia. Wówczas warto przemyśleć ustawienie paneli na osobnej konstrukcji na płaskim dachu garażu lub po prostu na gruncie przy budynku. Tym bardziej, że o ile w przypadku kolektorów słonecznych pożądane jest skrócenie rur łączących kolektor z zasobnikiem ze względu na ucieczkę ciepła, to fotowoltaiki ten problem nie dotyczy. Wystarczy zwiększenie przekroju przewodów, żeby uniknąć strat energii.

Płaski dach może być bardzo dobrym miejscem do ustawienia paneli. Wówczas opieramy je na niezależnej konstrukcji, wybierając najlepszą orientację względem stron świata i ustalając dowolnie kąt nachylenia. (fot. Hewalex)

Instalacje posadowione na konstrukcji wsporczej na gruncie mają przy tym pewne szczególne cechy. Trzeba się liczyć z tym, że zajmą nieco miejsca na działce, co w przypadku małych posesji może w ogóle nie wchodzić w rachubę. Ponadto trudno je uznać za wizualnie atrakcyjny element działki. Jednak, gdy dysponujemy odpowiednią działką samodzielna konstrukcja na gruncie może zostać idealnie ustawiona, co da jej istotną przewagę wielu zakładanych na niezbyt dobrych do tego celu dachach. Niekorzystna orientacja względem stron świata może przecież obniżyć uzysk energii np. o 20%, niezbyt dobry kąt nachylenia o kolejne 10%. Czyli w niejednej instalacji stracimy 30% lub więcej z teoretycznie możliwej mocy zainstalowanej. A to przecież oznacza, że zamiast 6 kWp, faktycznie będzie to 4 kWp. Jeśli zamiast tego możemy swobodnie wybrać sposób ustawienia paneli na gruncie, to różnica będzie niebagatelna.

Do systemu na gruncie mamy przy tym swobodny dostęp. Możemy więc oczyścić go bez trudu ze śniegu, liści czy ptasich odchodów. A to wszystko zasłania przecież ogniwa i może znacznie zepsuć parametry pracy.

Systemy oparte na gruncie ostatnio zyskują na popularności. W ich przypadku nie jest problemem nawet znaczne oddalenie od budynku. (fot. Columbus Energy)

Jak montowane są panele fotowoltaiczne?

Jarosław Antkiewicz
Na zdjęciu otwierającym: Instalacja na różnych połaciach dachu to najtrudniejszy wariant, który wymaga specjalnego sterowania. W tym samym czasie bowiem część paneli może znajdować się w pełnym słońcu, a reszta w cieniu. (fot. Hewalex)