Panele słoneczne zimą: produkcja prądu i wydajność

Wielu potencjalnych inwestorów w fotowoltaikę zastanawia się, jak panele słoneczne radzą sobie w warunkach zimowych. Czy panele fotowoltaiczne produkują prąd zimą? Czy niska temperatura i mniejsze nasłonecznienie znacząco obniżają ich wydajność? Odpowiedzi na te pytania są kluczowe dla zrozumienia opłacalności instalacji fotowoltaicznej w naszym klimacie. W tym artykule przyjrzymy się bliżej temu zagadnieniu, analizując wpływ niskiego natężenia promieniowania słonecznego na produkcję energii elektrycznej przez panele PV.

Co to znaczy niskie natężenie promieniowania słonecznego?

Moc paneli fotowoltaicznych, którą znajdziemy w kartach katalogowych, jest określana w standardowych warunkach testowych (STC - Standard Test Conditions). Warunki te obejmują natężenie promieniowania słonecznego wynoszące 1000 W/m², temperaturę ogniw 25°C i widmo słoneczne AM 1.5. Jednak w rzeczywistości, szczególnie w Polsce, takie warunki występują stosunkowo rzadko. Niskie natężenie promieniowania słonecznego definiuje się jako wartości poniżej 500 W/m². W naszych warunkach klimatycznych, przez większą część roku, a szczególnie w okresie jesienno-zimowym, natężenie promieniowania słonecznego jest znacznie niższe niż standardowe 1000 W/m².

Według danych, aż 70% energii słonecznej docierającej do Polski charakteryzuje się natężeniem poniżej 500 W/m². To oznacza, że panele fotowoltaiczne przez większość czasu pracują w warunkach słabszego oświetlenia niż te, w których testowana jest ich maksymalna moc. Warto również pamiętać, że niskie natężenie promieniowania słonecznego występuje nie tylko zimą, ale także o porankach i wieczorach, niezależnie od pory roku, a także w dni pochmurne.

Sprawność paneli fotowoltaicznych przy słabym świetle

Kluczowym parametrem, na który warto zwrócić uwagę, jest sprawność paneli fotowoltaicznych przy niskim natężeniu promieniowania słonecznego. Chociaż panele osiągają imponujące sprawności konwersji światła słonecznego w energię elektryczną przy wysokim natężeniu, ich wydajność może spadać w warunkach słabszego oświetlenia. Producenci paneli fotowoltaicznych coraz częściej podają informacje na temat wydajności swoich produktów w warunkach niskiego natężenia promieniowania słonecznego w kartach katalogowych.

Aby zrozumieć, jak spadek natężenia promieniowania wpływa na sprawność, rozważmy przykład. Moduł fotowoltaiczny o mocy 400 Wp i sprawności 22% w idealnych warunkach (1000 W/m²) powinien generować 400W mocy. Jednak przy natężeniu promieniowania słonecznego wynoszącym 200 W/m², zamiast spodziewanych 80W (proporcjonalnie do spadku natężenia), może wytwarzać na przykład 75W. W takim przypadku sprawność panelu spada do około 20,63%. Choć spadek wydaje się niewielki, ma on wpływ na całkowitą produkcję energii w ciągu roku, szczególnie w klimacie, gdzie dni pochmurnych i okresów z niskim natężeniem promieniowania jest sporo.

Niektórzy producenci prezentują dane dotyczące sprawności przy słabym oświetleniu w postaci wykresów, pokazujących zależność sprawności od natężenia promieniowania słonecznego. Inni mogą przedstawiać krzywe mocy i napięcia dla różnych wartości natężenia światła. Analiza tych danych pozwala na bardziej precyzyjne oszacowanie, jak dany panel będzie pracował w rzeczywistych warunkach, w tym w zimie.

Przyczyny niższej sprawności modułu przy słabym świetle

Spadek sprawności paneli fotowoltaicznych przy niskim natężeniu promieniowania słonecznego jest zjawiskiem naturalnym i wynika z kilku czynników. Jednym z nich jest charakterystyka materiałów użytych do budowy ogniw słonecznych. W ogniwach fotowoltaicznych wykorzystuje się różne materiały półprzewodnikowe, a na styku tych materiałów zawsze występują pewne straty energii. Te straty mogą być bardziej znaczące przy słabym oświetleniu.

Kolejnym czynnikiem są tak zwane straty rekombinacji. W ogniwie słonecznym, padające fotony generują pary elektron-dziura. Aby prąd elektryczny mógł popłynąć, te pary muszą zostać rozdzielone. Jednak część par elektron-dziura rekombinuje, czyli łączy się ponownie, zanim zostaną rozdzielone, co prowadzi do strat energii. Straty rekombinacji mogą być bardziej istotne przy niskim natężeniu promieniowania słonecznego.

Dodatkowo, na sprawność paneli mogą wpływać defekty produkcyjne, takie jak mikropęknięcia w ogniwach fotowoltaicznych. Choć mikropęknięcia mogą nie być widoczne gołym okiem, mogą one zwiększać opór wewnętrzny ogniwa i prowadzić do spadku sprawności, szczególnie w warunkach słabego oświetlenia.

Moc modułu fotowoltaicznego przy słabym świetle i jej wpływ na roczną produkcję

Aby zobrazować wpływ sprawności przy niskim natężeniu promieniowania słonecznego na moc modułu fotowoltaicznego i całkowitą produkcję energii, warto porównać dwa moduły o zbliżonej mocy nominalnej, ale różniące się charakterystykami pracy przy słabym świetle. Załóżmy, że mamy dwa moduły o mocy 395W: REC Alpha 395W i Jinko Tiger All Black 395W.

Chociaż oba moduły mają podobną moc nominalną, ich roczna produkcja energii może się różnić. Moduł REC Alpha 395W, charakteryzujący się lepszą sprawnością przy słabym świetle, może wyprodukować średniorocznie około 430 kWh, podczas gdy moduł Jinko Tiger 395W - około 416 kWh. Różnica, choć nie wydaje się duża na pierwszy rzut oka, w skali wieloletniej eksploatacji i dla większej instalacji, może być znacząca.

Analizując produkcję energii w zależności od natężenia promieniowania słonecznego, zauważymy, że przy wysokich wartościach (np. powyżej 900 W/m²) produkcja energii z obu modułów jest bardzo zbliżona. Jednak wraz ze spadkiem natężenia promieniowania, różnice w produkcji stają się bardziej widoczne. Chociaż przy bardzo niskim natężeniu promieniowania (np. 100 W/m²) panele generują minimalną moc, to liczba godzin w roku, kiedy natężenie promieniowania mieści się w zakresie 0-100 W/m², jest znacząca i wynosi około 1375 godzin rocznie. Dla porównania, liczba godzin z wysokim natężeniem promieniowania (900-1000 W/m²) to zaledwie około 160 godzin rocznie.

To podkreśla, jak istotna jest sprawność paneli fotowoltaicznych przy słabym świetle dla całkowitej produkcji energii w ciągu roku, szczególnie w naszym klimacie, gdzie dni pochmurnych i okresów z niskim nasłonecznieniem jest więcej niż dni słonecznych z intensywnym promieniowaniem.

Warto również pamiętać, że orientacja i kąt nachylenia paneli fotowoltaicznych mają wpływ na ilość docierającego do nich promieniowania słonecznego. Im bardziej odbiegamy od idealnego ustawienia (kierunek południowy, kąt nachylenia około 35°), tym większy udział godzin pracy paneli przy niskim natężeniu promieniowania słonecznego, a tym samym, większe znaczenie ma ich sprawność w takich warunkach.

Podsumowując, chociaż panele fotowoltaiczne produkują mniej prądu zimą ze względu na krótsze dni i większe zachmurzenie, to nadal generują energię elektryczną. Wydajność paneli przy niskim natężeniu promieniowania słonecznego jest istotnym czynnikiem wpływającym na całkowitą produkcję energii w ciągu roku, a wybór paneli o dobrej sprawności w tych warunkach może przynieść wymierne korzyści.

Pytania i odpowiedzi

Czy fotowoltaika produkuje prąd w zimie?

Tak, fotowoltaika produkuje prąd w zimie. Panele fotowoltaiczne działają nawet w temperaturach poniżej zera. Produkcja prądu jest niższa niż latem ze względu na krótsze dni, mniejsze natężenie promieniowania słonecznego i częstsze zachmurzenie. Jednak panele nadal generują energię elektryczną. Są przystosowane do pracy w niskich temperaturach, nawet do około -40°C. Ekstremalnie niskie temperatury poniżej -40°C mogą potencjalnie uszkodzić panele, np. poprzez skruszenie kleju w puszce przyłączeniowej, ale takie temperatury w Polsce występują bardzo rzadko.

Ile prądu produkuje fotowoltaika 1 kW w zimie?

Produkcja prądu z instalacji fotowoltaicznej o mocy 1 kW zimą jest znacznie niższa niż latem. Szacunkowo, w styczniu instalacja fotowoltaiczna może wyprodukować około 10 razy mniej prądu niż w czerwcu. Panele o mocy 1 kW skierowane na południe mogą generować latem około 7 kWh energii elektrycznej dziennie, natomiast zimą (w styczniu) około 0,6 – 0,7 kWh dziennie. Dokładna produkcja zależy od wielu czynników, takich jak lokalizacja, orientacja i kąt nachylenia paneli, warunki pogodowe i rodzaj paneli fotowoltaicznych.