Zapewne nikt, kto instaluje panele fotowoltaiczne, nie spodziewa się, że w grudniu da się wyprodukować dużo prądu ze słońca. Przynajmniej w Polsce. Powody są dość oczywiste, jednak może warto zastanowić się czy da się poprawić nieco sytuację i czy warto to robić.
Moja instalacja fotowoltaiczna
Cykl wpisów o produkcji prądu za słońca rozpocząłem od tekstu o mojej instalacji fotowoltaicznej. Przypomnę więc tylko, że panele zainstalowane są na dachu płaskim, pod kątem 15 stopni (w teorii, w praktyce pewnie około 12 do 18). Założeniem było zmieścić jak najwięcej paneli, nawet kosztem ich optymalnego rozłożenia. Instalacja została uruchomiona w ostatnich dniach sierpnia, gdy zepsuła się pogoda, skutkiem czego nie mam dobrego porównania do miesięcy letnich. Za to druga połowa września była bardzo ładna i do niej się będę odnosił.
Kąt padania promieni słonecznych
Instalując panele na dachu płaskim, szczególnie gdy powierzchnia jest ograniczona, a dodatkowo wybierając system balastowy, godzimy się że panele będą ułożone pod kątem 10 lub 15 stopni do podłoża. Dlaczego? Przy większym odchyleniu i montażu z użyciem balastu, na panele mogłyby działać zbyt duże siły. Natomiast ograniczona powierzchnia powoduje, że ogniwa nie mogą być za mocno uniesione, żeby kolejne rzędy nie zacieniały się wzajemnie.
Gdy zapytacie, jaki jest optymalny kąt nachylenia paneli w ujęciu produkcji rocznej, to odpowiedź jest prosta – między 30 a 40 stopni, w zależności od szerokości geograficznej naszego domu, liczby dni słonecznych, ukształtowania terenu, a nawet zanieczyszczenia powietrza. Gdy mamy dach skierowany na południe, to zwykle w tym przedziale powinniśmy osiągnąć pełną wydajność. Jeżeli odchylamy się ku wschodowi lub zachodowi, to może się okazać, że bardziej płasko ułożone ogniwa będą bardziej efektywne. Dlaczego? Bo po pierwsze panele mogą lepiej odbierać promienie słoneczne, padające w godzinach, gdy słońce nie jest na wprost ogniw, więc będziemy mieli więcej godzin z produkcją prądu i bardziej równomierny rozkład w ciągu dnia. Poza tym trzeba wziąć pod uwagę, że o ile panele najwięcej prądu ze światła bezpośredniego produkują, gdy słońce świeci na nie pod kątem prostym, to już światła rozproszonego najwięcej odbieramy, gdy leżą one zupełnie płasko. Udział światła rozproszonego z kolei zmienia się w ciągu roku i zimą jest on większy niż latem, ale zależy od konkretnej lokalizacji.
Dla nikogo nie jest tajemnicą, że wysokość słońca nad horyzontem zależy od pory roku. W Toruniu, w najkrótszy dzień roku, czyli 21 grudnia, słońce w swym najwyższym punkcie osiąga kąt 13,6 stopnia nad horyzontem. Światło pada więc na moje panele pod kątem poniżej 30 stopni w najlepszym momencie dnia. Do optymalnych 90 trochę jednak brakuje. Dla porównania w najdłuższym dniu słońce jest ponad 60 stopni nad horyzontem, czyli 75 stopni w stosunku do paneli.
Krótki dzień
W grudniu mamy najkrótsze dni w roku, to oczywiste. Na produkcję prądu możemy liczyć między wschodem i zachodem słońca, po założeniu pewnego marginesu – mniejszego lub większego w zależności od pogody. Natomiast od najkrótszego dnia, który ma u nas siedem i pół godziny, za wiele nie można oczekiwać. Dla porównania toruński najdłuższy dzień roku ma prawie siedemnaście godzin. To przepaść.
Zachmurzenie
Dla wielu osób, które obserwują produkcję swoich falowników, zaskoczeniem może być, że produkcja prądu przy całkowitym zachmurzeniu i braku bezpośredniej widoczności słońca może być całkiem duża. Latem potrafi być zdecydowanie wyższa niż w grudniu przy pełnym słońcu. Natomiast grudzień i chmury, szczególnie ciemne, niskie, mogą sprawić, że produkcji praktycznie nie ma. Bo jak inaczej można nazwać 95Wh, które uzyskałem w najgorszy dzień do tej pory? Z kolei w moim przypadku dni ze słońcem można policzyć do tej pory na palcach jednej ręki. Zresztą w listopadzie wiele lepiej nie było.
Zacienienie paneli
Gdy robiliśmy pierwsze szacunki, jak ustawić względem siebie rzędy paneli, żeby się wzajemnie nie zacieniały, braliśmy pod uwagę pozycję w słońca 21 grudnia w południe. Z tego co zauważyłem, to całkiem popularne podejście. Jak widać na zdjęciu, to można uznać, że właściwie to nawet się to udało.
Dzisiaj jest pierwszy dzień od długiego czasu, kiedy wyjrzało słońce. Naprawdę, dawno nie było tak ładnie. Uznałem więc, że zrobię zdjęcie instalacji fotowoltaicznej w południe, żeby pokazać, jak padają cienie i czy udało się osiągnąć cel. Niestety – grudzień. Nawet w tak ładny dzień, niebo po prostu się zachmurzyło i przez ponad godzinę słońce nie pokazało się na tyle wyraźnie, żeby było widać cienie. Udało się je uchwycić dopiero tuż przed 13. Jak widać, nawet małe obiekty rzucają bardzo długie cienie, mimo, że jesteśmy blisko środka dnia.
Dla porównania na obrazku z późnego lata widać, że mimo późniejszej pory, cienie są znacznie krótsze i mniej wchodzą na panele.
Gdy natomiast bliżej się przyjrzymy fotografii grudniowej, z nieco podciągniętym poziomem kontrastu, dla lepszej widoczności, to zauważymy, że siedem z paneli jest w jakimś stopniu zacienionych.
W tym miejscu, dla zrozumienia wpływu cienia na pracę paneli trzeba napisać o diodach bocznikujących. Ogólnie rzecz biorąc, cały łańcuch paneli (czyli u mnie wszystkie panele) powinny pracować w takich samych warunkach. W innym wypadku, szczególnie gdy ogniowo lub jego część jest w cieniu, może to wpływać na wydajność wszystkich paneli i dodatkowo być niebezpieczne dla samego ogniwa. Na szczęście nie jest to duży problem, bo producenci montują tak zwane diody bocznikujące (by-pass), które wyłączają zacieniony panel i choć nie produkuje on prądu, to nie stanowi też problemu. Co więcej zwykle zainstalowane są trzy takie diody w każdym panelu, co oznacza, że mniejsze zacienienie może odłączyć tylko część panelu.
Aby potwierdzić działanie diod bocznikujących, zrobiłem pewien eksperyment. W słoneczny dzień wszedłem na dach i patrząc na sumaryczną produkcję prądu, gdy zasłoni się, choćby małą część panelu po krótszym boku. Powodowało to spodziewany spadek produkcji falownika o mniej więcej 1/18. Gdy jednak cień wchodził tylko na część panelu, to produkował on 1/3 lub 2/3 prądu.
Gdy popatrzymy na fotografię, bez problemu wywnioskujemy, że panele 1, 2, 5 i 6 są w pełni wyłączone z produkcji, bo zacienienie, choćby w małym stopniu obejmuje wszystkie rzędy ogniw.
Z kolei 3 i 4, znajdujące się w jedynym rzędzie zacienianym przez sąsiednie panele, mają wyłączoną 1/3 produkcji, mimo, że cień wchodzi tylko lekko na pierwszy szereg ogniw słonecznych.
Patrząc na produkcję prądu w grudniu można się zastanawiać czy gdyby nie przejmować się tak bardzo wzajemnym zacienianiem paneli przez kolejne rzędy w najkrótszy dzień w roku, tylko zamontować je gęściej, to czy miałoby to sens. Gdyby dało się dołożyć siódmy rząd, to jest duża szansa, że sumaryczna produkcja roczna byłaby większa, kosztem jeszcze gorszej jesieni i zimy. Tylko, że na rozmieszczenie wpływa nie tylko to, jak gęsty zdefiniujemy rozkład, ale też fizyczne elementy dachu, jak kominy. W tym wypadku siódmego rzędu paneli raczej w ogóle nie ma co rozważać.
Grudzień i wrzesień
Jak już wspominałem, pierwszym pełnym miesiącem działania instalacji był wrzesień. W Polsce nie jest łatwo trafić na w pełni bezchmurny dzień od wschodu do zachodu słońca, szczególnie w mniej przyjazne fotowoltaice miesiące. 21 września 2020 był takim dniem.
Ponieważ to już prawie jesień, więc dzień był prawie równy z nocą, ze wschodem o 6:30 i zachodem o 18:46. Widać, że produkcja prądu trwała prawie od wschodu do zachodu słońca, ze szczytową mocą około 4kW. Ilość wyprodukowanego prądu określa pole pod wykresem. Przeszło 27kWh udało się pozyskać tego dnia ze słońca.
Popatrzmy dla porównania na dzisiejszy, grudniowy, całkiem słoneczny, praktycznie najładniejszy dzień o tygodni.
Produkcja co prawda zaczęła się wkrótce po wschodzie, który był o 7:56. W pełni bezchmurne niebo do godziny około 9:30 pozwoliło instalacji osiągnąć moc około 1100W, a potem słońce zostało zasłonięte, choć warstwa chmur nie była gruba. Widać, że na moment rozpogodziło się przez 13, dzięki czemu zresztą udało mi się zrobić zdjęcia do tego posta. Mimo, że zachód słońca był o 15:30, to przez chmury produkcja skończyła się tuż przed 15, osiągając zawrotną sumę 3,1kWh. Tak, to był piękny grudniowy dzień, choć prawie prawie najkrótszy w roku.
Optymalizatory
Ktoś może zauważyć, że w rozważaniach pominąłem wpływ optymalizatorów. Wiele osób zgłasza ich zbawienny wpływ na produkcję prądu przy zmiennym zacienieniu. Co to jest tak naprawdę optymalizator? To przetwornica DC-DC, która dopasowuje napięcie panelu, do napięcia całego szeregu, żeby zniwelować wpływ cienia na cały szereg i pozwolić panelowi generować prąd, choć mniejszy, bez wyłączenia diodą bocznikującą.
U mnie mogłoby potencjalnie pomóc nieco, gdyż połowa paneli jest pod minimalnie innym kątem niż pozostałe, ze względu na krzywizny dachu (było, nie było, płaskiego jednak). Nie pomoże natomiast za bardzo gdy mała część panelu jest zacieniona, a reszta w pełnym słońcu. Optymalizator ratuje część energii z ogniw fotowoltaicznych, które są w cieniu, ale cały czas są w stanie generować prąd ze światła rozproszonego. Absolutnie nie twierdzę, że optymalizatory nie mają sensu, wręcz przeciwnie, sam mam trzy. Natomiast w mojej sytuacji, przynajmniej przez większość roku, dużo większą rolę odgrywają diody bocznikujące, pozwalające 1/3 lub 2/3 danego panela generować prąd w pełni sprawnie.
Podsumowanie
Grudzień jest więc dla fotowoltaiki praktycznie stracony. Przy obecnym systemie bilansowania prosumenckiego i możliwości zgromadzenia nadwyżki prądu z lata, zupełnie nie ma co walczyć o optymalizację grudniowej produkcji. W zamian trzeba walczyć o jak najlepszą produkcję w lepsze miesiące. Takie przynajmniej jest moje zdanie.