Rozwój fotowoltaiki jest bardzo intensywny, a Polska plasuje się w tej dziedzinie na jednym z pierwszych miejsc w Europie. Od kilku lat rejestruje się znaczący przyrost mocy, który wynika z montażu nowych instalacji zarówno w domach prywatnych, jak i firmach. Pomimo to wciąż nie brakuje sceptyków, którzy twierdzą, że warunki na terenie kraju nie sprzyjają takim inwestycjom. Jaka jest wydajność paneli fotowoltaicznych w Polsce?
Polska na tle Europy w rozwoju fotowoltaiki
Jednym z powodów, który zniechęca potencjalnych inwestorów do montażu paneli fotowoltaicznych, jest przekonanie, że warunki pogodowe w Polsce nie sprzyjają takim inwestycjom. Powszechnie uważa się, że liczba dni słonecznych jest zbyt mała, aby ogniwa wyprodukowały wystarczającą ilość prądu. W efekcie okres zwrotu poniesionych wydatków będzie bardzo długi lub koszty w ogóle nie przełożą się na zyski. Zaprzeczeniem tej tezy jest mapa nasłonecznienia kraju, zgodnie z którą w Polsce panują idealne warunki dla fotowoltaiki.
Dodatkowym wskaźnikiem, że fotowoltaika jest w Polsce opłacalna, może być przykład naszego zachodniego sąsiada. Zgodnie z danymi SolarPower Europe – europejskiego stowarzyszenia branży energetyki słonecznej – w 2020 roku Niemcy zainstalowały elektrownie słoneczne o mocy 4,8 GW, a łącznie w całej Europie przybyło aż 18,7 GW mocy. Warto zaznaczyć, że ten wzrost zanotowano w okresie pandemii. Polska na tej liście znalazła się na czwartym miejscu z mocą 2,2 GW. Jest ona dwukrotnie większa niż w poprzednim roku.
Co to jest wydajność fotowoltaiki?
O opłacalności fotowoltaiki decyduje przede wszystkim jej wydajność. Czym jest ten parametr i jak należy go interpretować? Otóż panele słoneczne są zbudowane z modułów, a te z ogniw. W tych najmniejszych półprzewodnikowych elementach konstrukcji zachodzi zjawisko wymuszania ruchu elektronów zarówno przez strukturę materiału, jak i przez oddziaływanie energii fotonów dostarczanych wraz z promieniami słońca. Ruch elektronów to nic innego jak prąd stały, w dalszym etapie przekształcany przez falownik w prąd zmienny. Z punktu widzenia wydajności istotna jest ilość energii wytwarzanej przez instalację.
Współczynniki STC i NOTC
Efektywność czy też wydajność paneli fotowoltaicznych oznacza ich zdolność do produkowania prądu na określonym poziomie. W języku technicznym określa ją definicja, zgodnie z którą jest to współczynnik energii, jaką produkuje panel w określonym czasie i z danej ilości promieni słonecznych. Jednocześnie muszą też być zachowane konkretne warunki środowiskowe. Są one istotne dlatego, że pozwalają na stworzenie porównywalnej wartości, która nie jest warunkowana różnymi zmiennymi. Wzorcowa moc znamionowa modułów jest obliczana w warunkach laboratoryjnych, które charakteryzują:
- temperatura modułu 25°C,
- poziom nasłonecznienia 1000 W/m2,
- współczynnik gęstości atmosfery 1,5 AM.
Wymienione warunki, przy których panele osiągają tzw. moc szczytową, są określane jako współczynnik STC. Są one trudne do osiągnięcia w terenie, dlatego w praktyce przyjmuje się współczynnik NOCT, któremu odpowiadają:
- poziom nasłonecznienia 800 W/m2,
- temperatura zewnętrzna 20°C,
- temperatura wewnętrzna od 42°C do 45°C,
- prędkość wiatru 1 m/s,
Zmienne decydujące o wydajności paneli
W warunkach środowiskowych te trzy parametry ulegają zmianie, wpływając też na efektywność (wydajność) paneli. W praktyce oznacza to, że podana przez producenta wartość będzie inna od rzeczywistej, jeśli:
- wzrośnie liczba dni pochmurnych i deszczowych,
- kąt ustawienia paneli nie będzie optymalny,
- panele będą okresowo zacienione np. przez okoliczne drzewa,
- wzrośnie temperatura paneli np. pod wpływem intensywnego nagrzewania się dachu (wysoka temperatura powoduje zmiany napięcia w ogniwach i spadek wydajności),
- powierzchnię paneli będą pokrywać zanieczyszczenia lub śnieg,
- powstanie niekorzystny stosunek temperatury powietrza do poziomu nasłonecznienia.
Ten ostatni czynnik wynika ze specyfiki pracy ogniw fotowoltaicznych, w których jest wytwarzany prąd. Obniżenie ich wydajności powodują zarówno zbyt wysokie temperatury, jak i zbyt mała ilość promieni słonecznych. Dlatego w strefach klimatycznych, w których jest chłodniej, optymalna temperatura otoczenia rekompensuje mniejsze nasłonecznienie.
Przykładem jest Polska, w której średnie temperatury latem oscylują wokół 25°C. Jednocześnie średnie nasłonecznienie np. w Wielkopolsce wynosi około 1100 kWh/kWp. Biorąc za idealne warunki poziom nasłonecznienia 2000 kWh/kWp, typowy dla stref tropikalnych można założyć, że niedobór słońca w Polsce rekompensują i równoważą niższe temperatury powietrza.
Innymi czynnikami decydującymi o wydajności paneli są:
- jakość produktów oraz ich producent,
- kąt nachylenia modułów
- położenie modułów względem stron świata
- pora roku,
- częstotliwość konserwacji.
Wydajność paneli w Polsce
Na jakim poziomie utrzymuje się wydajność paneli fotowoltaicznych w Polsce? Najważniejszym czynnikiem, od którego zależy ten parametr, jest poziom nasłonecznienia. Jest on różny w poszczególnych regionach, a nawet na niewielkich obszarach lokalnych. Różnice te są jednak na tyle małe, że przyjmuje się równomierne nasłonecznienie na terenie całego kraju zawierające się w przedziale 950-1160 kWh/m² na rok. Najlepsze prognozy pod tym względem ma Polska południowa i południowo-wschodnia. Na drugim miejscu jest Polska centralna i wschodnia. Największą efektywność paneli PV w tych rejonach rejestruje się wiosną.
Średnia wydajność paneli fotowoltaicznych w różnych porach roku utrzymuje się na następującym poziomie:
- wiosna – 191 godzin słonecznych, pokrycie 85% potrzeb energetycznych,
- lato – 252 godziny słonecznych, pokrycie 110-120% potrzeb energetycznych,
- jesień – 117 godzin słonecznych, pokrycie 51% potrzeb energetycznych,
- zima – 64 godziny słonecznych, pokrycie 25% potrzeb energetycznych.
Porównując Polskę do zachodnich sąsiadów, można założyć, że warunki pogodowe są u nas podobne. Dlatego też wydajność paneli powinna być zbliżona. Niestety poważną przeszkodą jest zanieczyszczenie powietrza, które w Niemczech utrzymuje się na znacznie niższym poziomie.
Wydajność paneli słonecznych w zimie
Zima nie jest okresem, który sprzyja produkcji energii słonecznej. Jak przedstawiono już wcześniej, średnia liczba godzin słonecznych w tym okresie wynosi zaledwie 64, co jednak nie oznacza, że ogniwa nie produkują prądu wcale. Oczywiste jest, że ilość wytworzonej energii znacznie spada o tej porze roku, a szczególnie niska jest w grudniu i styczniu, w czasie najkrótszych dni. Jednocześnie zima działa też na korzyść produkcji energii. Niskie temperatury sprzyjają bowiem temu procesowi.
Ostatecznie w pracy paneli fotowoltaicznych liczy się bilans roczny. Dzięki podłączeniu do sieci można też magazynować prąd z letniej nadprodukcji i odbierać go zimą. Do dyspozycji są też specjalne magazyny energii, montowane w instalacjach. Ilość produkowanego prądu określa się w kWh. Latem instalacja o mocy 1 kWp może wyprodukować nawet 180 kWh energii miesięcznie. W lutym wartość ta spada do ok. 60 kWh, a w styczniu – do ok. 20-30 kWh. Roczny bilans zazwyczaj wypada dodatnio, co oznacza, że fotowoltaika może zaspokoić nawet do 90% zapotrzebowania budynku na prąd w ciągu roku.
