Wydajność paneli fotowoltaicznych

Wielu przed zainwestowaniem w panele fotowoltaiczne powstrzymuje obawa, że tak naprawdę jest w tym jakiś szwindel. No bo ile prądu tak naprawdę wyprodukują te panele? I jakie mam na to gwarancje? W tym artykule omówimy moc nominalną paneli, ich sprawność oraz realne uzyski w Polsce. Ponadto przyjrzymy się wpływowi warunków pogodowych oraz pory roku na pracę instalacji i zastanowimy się, czy kilka tygodni złej pogody naprawdę stanowi problem.

Sprawność paneli fotowoltaicznych

Sprawność panelu fotowoltaicznego określa ile procent otrzymanej energii słonecznej dany panel przekształci w elektryczną w warunkach testowych STC.

Powyższe liczby obowiązują, jak wspomnieliśmy, w warunkach testowych. Czym są? Ustandaryzowane Warunki Testowe (Standard Test Conditions - STC) zakładają temperaturę ogniwa równą 25°C, brak wiatru i promieniowanie o sile 1000W/m². W sekcji "rzeczywiste uzyski" omówimy, jak warunki testowe mają się do polskich.

Obliczając sprawność powinno się uwzględniać powierzchnię całego panelu, wraz z ramką. Niektórzy producenci nieuczciwie uwzględniają tylko powierzchnię samych ogniw. Jeśli wykryjemy takie sztuczki, z pewnością przeczytacie o nich w naszych recenzjach producentów .

Historia wydajności paneli fotowoltaicznych. Domena publiczna. Własność Rządu USA. Praca Instytutu NREL.

Sprawność seryjnie produkowanych paneli polikrystalicznych wynosi mniej więcej 16-18%. Monokrystaliczne sięgają wyżej - najlepsze chińskie panele sięgają 20,5%, a amerykański SunPower produkuje seryjnie panele grubo przekraczające 22%.

Sprawność wyrażona procentowo to parametr bardzo dokładny, ale mało wygodny do oszacowania ilości energii, którą dany panel wytworzy w ciagu roku. Do tego celu lepiej nadaje się moc znamionowa.

Moc znamionowa / nominalna (wydajność)

Moc nominalna paneli słonecznych wyrażana jest w watopikach (np. Wp, kWp). Określa ona wydajność paneli w ustandaryzowanych warunkach testowych STC (Standard Test Conditions), czyli w temperaturze 25°C i nasłonecznieniu 1000W/m². Moce łączy się ze sobą i tak z czterech połączonych paneli 250 Wp mamy 1 kWp (1k = 1 tysiąc).

Moc znamionowa wynika ze sprawności i wymiarów. Przypominamy, że w warunkach STC nasłonecznienie jest stałe. Znając dwa z tych parametrów można wyliczyć trzeci.

Ponieważ moc znamionowa zależna jest od powierzchni, trzeba zachować czujność. Panel o mocy 330Wp nie musi być identyczny z innym panelem o tej samej mocy. A panel o większej mocy może w rzeczywistości być zmontowany z ogniw gorszej jakości. Wtedy jest mocniejszy wyłącznie dzięki temu, że tych ogniw zastosowano więcej. Chyba najlepiej pokaże to poniższy przykład.

Oznaczenie panelu	JAM60S09-330/PR	REC330NP	Q.PEAK DUO-G5 330	JKM360M-72
Producent	JA Solar	REC	Q.CELLS	Jinko
Moc nominalna (Tolerancja mocy)	330Wp (-0;+5Wp)	330Wp (-0;+5Wp)	330Wp (-0;+5Wp)	360Wp (-0;+10Wp)
Sprawność	20,00%	19,80%	19,60%	18,55%
Wymiary (mm):	1657x996	1675x997	1685x1000	1956x992
Powierzchnia w m2	1,65	1,66	1,68	1,9

Rzeczywiste uzyski w polskich warunkach

No więc wiemy już, ile poszczególne panele produkują prądu w ściśle określonyc, laboratoryjnych warunkach. A ile wyprodukują u mnie na dachu? Otóż krótka i zaskakująca odpowiedź brzmi... że generalnie tyle samo. Moduł fotowoltaiczny o mocy 300Wp powinien dostarczyć 300W prądu z każdego 1000W energii słonecznej. Instalacja nieruchoma 1 kWp teoretycznie wyprodukuje w ciągu roku 1000 kWh. W praktyce zależy to od wielu czynników zewnętrznych – liczby słonecznych dni w roku, kąta zamontowania panelu wobec słońca, itp. przy czym do obliczeń bezpiecznie jest przyjąć 1000 kWh za wartość maksymalną, zaś w rzeczywistości spodziewać się możemy 950 -1050 kWh *.

Po pierwsze przeanalizujmy, ile energii w ciągu roku dostarcza słońce na każdy metr kwadratowy polskiej ziemi. W tym celu posłużymy się poniższą mapką:

Wynika z tego, że w Polsce każdy metr kwadratowy otrzymuje średnio 1000kW energii rocznie. To dane statystyczne z całego roku, więc kilka tygodni złej pogody nie zmienia tego wyniku.

Jednak rzeczywiste uzyski wynikają nie tylko z nasłonecznienia, ale też z szeregu innych czynników:

• Nachylenia dachu
• Orientacji paneli względem południa
• Zacienienia
• Odpowiedniej wentylacji i temperatury

Jak wpływają one na sprawność modułów fotowoltaicznych?

Orientacja i kąt nachylenia

W Polsce każdy metr kwadratowy otrzymuje 1000kWh rocznie, ale moduły słoneczne raczej nie leżą płasko na ziemi. Zainstalowanie standardowego panelu o powierzchni 1,6m²  pod właściwym kątem sprawia, że otrzymuje on znacznie więcej energii słonecznej, mniej więcej tyle, co 2m²gruntu.

Nachylenie i orientacja dachu w wysokim stopniu określa ilość promieni słonecznych docierających do paneli. Szczególnie ważna jest tu orientacja. Dach skierowany na południe jest najlepszym rozwiązaniem. Instalacja skierowana na wschód lub zachód nie jest wykluczona, ale musi być większa (i droższa), by generowała tę samą moc. Nachylenie dachu wpływa nieco na ilość  prądu generowaną w danej porze roku. Dachy spadowe o niskim nachyleniu lepiej działają latem, a o wysokim – zimą. Optymalnym rozwiązaniem w Polsce jest dach o normalnym pochyleniu 35 stopni.

Idealne nachylenie dachu dla paneli słonecznych wynosi w Polsce od 35° do 38°. Panele słoneczne na dachu o nachyleniu w granicach 20°-35° i 40°-50° mogą tracić od 3% do 5% wydajności. Panele PV na dachach o nachyleniu powyżej 45 ° tracą około 5% do 8%. A co, jeśli dach jest płaski?

Na dachach płaskich instalowane są specjalne konstrukcje, które służą do montażu paneli tak, by były nachylone pod kątem 30°. Jeśli kąt nachylenia wzrasta, odległość między rzędami paneli fotowoltaicznych również musi zostać rozszerzona, aby nie uniknąć wzajemnego rzucania cienia. W innym przypadku, rzucany cień zmniejsza powierzchnię użytkową paneli, co może mieć kluczowe znaczenie w przypadku dachu o małej powierzchni.

Tabelka poniżej przedstawia sprawność paneli fotowoltaicznych względem odchyleń od warunków idealnych. Dachy skierowane w kierunku południowym, południowo-zachodnim i południowo-wschodnim, o spadzie między 20 a 60 stopni, są idealne dla paneli słonecznych. Na nich panele fotowoltaiczne osiągną swoją maksymalną sprawność.

Nachylenie	Wydajność paneli fotowoltaicznych
	Wschód		Południowy-wschód			Południe			Południowy-zachód			Zachód
stopni od północy	90	105	120	135	150	165	180	195	210	225	240	255	270
płaski dach	z nastawioną konstrukcją nośną ~95%
10°	90	91	93	94	95	95	96	95	95	94	92	91	89
20°	88	91	94	96	97	98	98	98	97	96	93	90	87
30°	86	90	94	96	98	100	100	99	98	96	93	89	86
40°	84	88	92	96	98	99	100	99	97	95	90	86	82
50°	80	85	89	93	96	97	97	96	95	92	88	84	78
60°	76	81	86	89	92	93	93	91	90	87	84	79	74
70°	70	76	80	84	86	87	87	86	85	82	78	74	69
80°	65	69	74	77	79	80	80	79	77	75	72	68	63
pion	58	62	65	69	71	71	71	71	69	67	64	60	56

Panele fotowoltaiczne uzyskują na płaskim dachu idealne warunki tylko pod warunkiem, że stosowane są specjalne stelaże, nastawione idealnie na słońce. Panele stawiane poziomo na ziemi uzyskują jakieś 90%, za to na stelażu - 100% wydajności. Zupełnie nie ma potrzeby tracić tej energii i należy zastosować konstrukcję nośną.

Z powyższego wynika, że chociaż średnie roczne nasłonecznienie w Polsce wynosi około 1000 W/m²,to właściwie zainstalowane moduły fotowoltaiczne zbierają około 15-20% więcej promieni słonecznych, niżby to wynikało z samej tylko ich powierzchni.

Straty mocy na ogniwach fotowoltaicznych

Niestety inne czynniki zewnętrzne obniżają rzeczywiste uzyski modułów. Przejdźmy do ich omówienia.

Utrata mocy w czasie

Strata efektywności – panele fotowoltaiczne wraz z upływem lat tracą na wydajności. To zjawisko całkowicie normalne. Większość producentów paneli słonecznych gwarantuje, że po 25 latach panele będą wciąż działać z określoną efektywnością. Utratę wydajności na rok danego panelu można wyrazić w procentach. To dość ważny parametr, który na pierwszy rzut oka może nie sprawiać wielkiego wrażenia.

Producent określa dopuszczalny poziom utraty efektywności w gwarancji na uzysk, która pozwala określić całkowity szacowany uzysk z paneli w okresie obowiązywania gwarancji. Gwarancja na uzysk standardowych paneli zwykle obejmuje 25 lat, ale w przypadku paneli podwójnie przeszklonych może być to nawet 30 lat. W tym artykule przeczytasz więcej o tym, jak obliczać wpływ liniowej gwarancji mocy na ogólną produkcję danej instalacji.

Panele słoneczne, niezależnie od typu, tracą około 0,3% -0,5% w ogólnej wydajności rocznie. Największy spadek mocy (do 95-97% mocy początkowej) występuje w ciągu pierwszego roku. Ta utrata wydajności jest znikoma w porównaniu do paneli cienkowarstwowych oraz innych alternatywnych źródeł energii i w tej perspektywie powinna być trakowana jako zaleta.

A ile zakupiony panel rozsądnej jakości naprawdę będzie pracować po skończonej gwarancji? Tego nie wie nikt, ale szacunki mogą napawać optymizmem. Więcej na ten temat przeczytasz w tym artykule .

Wpływ temperatury

Gdy panele słoneczne odbiegają od opisanego powyżej STC, rzeczywista wydajność instalacji ulega zmianom. Omówmy wpływ różnicy temperatury. Przy zakupie paneli słonecznych zawsze otrzymujemy dokładny arkusz mówiący o sprawności danego panelu w zależności od panujących warunków. Ważnym wskaźnikiem jest punkt Pmax (Maximum Power Point), który odpowiada na pytanie jak duża jest strata sprawności, gdy temperatura modułu wzrasta powyżej 25°C.

Straty zazwyczaj mieszczą się w skali od 0,3% do 0,4% na stopień. Kiedy wiesz, że powierzchnia panelu słonecznego podczas cieplejszych dni wynosi około 30°C, możesz obliczyć jak wysoka będzie strata. Na przykład, w słoneczny dzień w Australii, gdy temperatura wynosi 40°C , to panele fotowoltaiczne mogą nagrzać się nawet do 65°C, a strata wynieść od 10,5% do 14% mocy.

Zazwyczaj najwięcej energii z paneli PV uzyskuje się między majem a lipcem. Sierpniowe upały i jesienno-zimowe zachmurzenie negatywnie wpływa na efektywność paneli fotowoltaicznych. Mimo to, panele słoneczne efektywniej wykorzystują światło docierające zimą i na jesień. Powód jest prosty - niska temperatura korzystnie wpływa na działanie fotowoltaiki. Można to porównać do laptopa, który zwalnia, gdy się przegrzewa.

Przy zakupie paneli słonecznych, dobrze jest wybrać panele z niską wartością Pmax. Wskaźnik ten powie nam jaka jest strata efektywności względem odchyleń od STC. Inną rzeczą na którą warto zwracać uwagę jest umiejscowienie instalacji – wentylacja jest kluczowa i brak przewiewu może skutkować utratą efektywności.

Odporność na temperaturę ma więc duży wpływ na rzeczywistą wydajność instalacji. Poczytasz więcej na ten temat w dedykowanym artykule w Poradach. Z kolei jeśli chcesz znaleźć producentów paneli fotowoltaicznych, które są wyjątkowo odporne na temperaturę, wejdź tutaj .

Wpływ cienia

Cień padający na dany panel fotowoltaiczny generalnie powoduje jego wyłączenie (całego modułu lub jego części) z obwodu przez diody bocznikowe. Jest to niezbędne, gdyż inaczej taki przysłonięty panel obniżałby wydajność całego obwodu.

Przylepione do paneli liście lub duże ptasie odchody również generują zacienienie na panelu, co nie dość że wpływa negatywnie na uzyski, ale też zwiększa ryzyko wystąpienia hot-spotów .

Cień przesuwa się w ciągu dnia, stąd komin czy słup nie uniemożliwiają działania paneli, ani nie wyłączają ich na cały dzień, jednak zasada jest prosta - im więcej cienia, tym mniej prądu.

Warto rozważyć, gdzie dokładnie pada cień w skali roku. Zimą słońce stoi niżej nad horyzontem, przez co cienie są dłuższe i mogą zasłonić więcej dachu.

Brud

Każda instalacja z czasem się brudzi, na co wpływ ma przemysł, pojazdy motorowe oraz pyłki kwiatów i aktywność rolników (szczególnie żniwa), a także ptaki. Zanieczyszczeniu paneli nie sposób zapobiec, a częste wynajmowanie firmy do ich umycia nie ma uzasadnienia ekonomicznego (samodzielne ich mycie zwykłą wodą jest błędem, bo powoduje osadzanie się kamienia), tym niemniej trzeba to robić od czasu do czasu. W branży przyjęto standard dwukrotnego czyszczenia instalacji każdego roku, najlepiej w maju i sierpniu.

Straty na inwerterze i przewodach

Inwerter i przewody powodują pewne straty w przekazywanej mocy. Po prostu przekazywanie i przetwarzanie energii elektrycznej sprawaia, że jej część zamienia się na ciepło i jest tracona. Nie można tego wyeliminować, ale można zmniejszyć.

Przewody powodują średnio utratę 1% mocy. Niedopasowanie prądowe modułów PV to w najlepszym razie kolejny 1% - ale uwaga, w przypadku błędów wykonawczych może być to znacznie więcej.

Na falowniku wielkości prosumenckiej stracimy zwykle od 3 do 7%. Ta różnica to tylko jeden z powodów, dla których warto zainwestować w dobry inwerter. Więcej na ten temat przeczytasz tutaj.

Co wynika z tego wszystkiego?

Efektywność fotowoltaiki w Polsce, wbrew obiegowej opinii, jest bardzo wysoka. Praktyka pokazuje, że w naszym regionie można uzyskać około 950kWh-1050kWh z każdego 1000kWp - oczywiście te wyliczenia uwzględniają wszelkie straty. Jest to wynik lepszy niż w Niemczech, kraju który jest światowym liderem w generowaniu prądu z energii słonecznej.

Przypisy:

* Istnieją też systemy nadążne, mechanicznie ustawiające panele tak, by cały dzień ustawione były do słońca pełnym obliczem. Zwiększa to wydajność paneli nawet o 30%, ale niestety raczej nie da się zamontować tego systemu na dachu spadowym.