Ile energii wyprodukuje fotowoltaika zimą? Analiza dla instalacji prosumenckiej o różnym nachyleniu 

• Niskie temperatury nie obniżają sprawności modułów, a wręcz mogą ją poprawiać dzięki mniejszym stratom cieplnym i stabilnym parametrom elektrycznym. Głównym ograniczeniem zimą jest mniejsza ilość promieniowania słonecznego oraz krótszy dzień.
• W polskich warunkach zimowa produkcja energii stanowi zwykle 20–30% rocznego uzysku, a w najtrudniejszych miesiącach może spaść do około 10% poziomu letniego. Mimo to instalacja nadal pracuje i częściowo pokrywa bieżące zapotrzebowanie na energię.
• Orientacja i kąt nachylenia modułów mają kluczowe znaczenie dla zimowej efektywności. Systemy elewacyjne lub o większym nachyleniu mogą osiągać nawet dwu- lub trzykrotnie wyższe uzyski niż klasyczne instalacje dachowe przy zalegającym śniegu.

Energia pochodząca z promieniowania słonecznego stanowi odnawialne źródło energii o istotnym znaczeniu dla bezpieczeństwa energetycznego oraz realizacji celów dekarbonizacji. Systemy fotowoltaiczne należą do kluczowych technologii transformacji energetycznej, a ich dynamiczny rozwój obserwowany jest zarówno na poziomie krajowym, jak i globalnym. W światowym miksie energetycznym fotowoltaika odgrywa coraz większą rolę, systematycznie zwiększając swój udział w produkcji energii elektrycznej i przyczyniając się do ograniczania emisji gazów cieplarnianych. Zimą wiele osób zastanawia się nad możliwością produkcji energii pochodzącej z ogniw fotowoltaicznych, a także czy instalacja poradzi sobie w niskich temperaturach i przy zalegającym śniegu. Często zadają sobie oni pytania, czy trzeba usuwać śnieg z modułów? Czy silny mróz może uszkodzić panele? Specjaliści z branży OZE rozwiewają te wątpliwości, tłumacząc, że współczesne systemy PV są projektowane z myślą o pracy nawet w bardzo trudnych, zimowych warunkach. 

Praca systemów PV w sezonie zimowym – wyzwania i efektywność

Energia elektryczna generowana z instalacji fotowoltaicznej produkowana jest również w okresie zimowym. Mimo stosunkowo krótszej długości dnia w porównaniu z miesiącami letnimi, a także niższego natężenia promieniowania słonecznego, same niskie temperatury nie wpływają negatywnie na pracę modułów PV – wręcz przeciwnie. 

Charakterystyka półprzewodnikowa ogniw sprawia, że w chłodnym środowisku ich sprawność może wzrastać, ponieważ ograniczone są straty cieplne, a parametry elektryczne takie jak napięcie pozostają w tym okresie na stabilnym poziomie. W praktyce może to oznacza, że systemy fotowoltaiczne są przystosowane do pracy nawet przy bardzo niskich temperaturach, sięgających około –40°C. 

Głównym czynnikiem ograniczającym produkcję energii w okresie zimowym jest zmniejszona ilość dostępnego promieniowania słonecznego. Krótszy czas nasłonecznienia, niższy kąt padania promieni słonecznych oraz częstsze zachmurzenie powodują, że do powierzchni modułów dociera mniejsza ilość energii. W konsekwencji generacja energii elektrycznej przez ogniwa fotowoltaiczne ulega obniżeniu, mimo że same niskie temperatury nie stanowią bariery dla ich pracy. W polskich warunkach klimatycznych uzysk energii w miesiącach zimowych stanowi zwykle około 20–30% rocznej produkcji, podczas gdy najwyższa generacja przypada na okres od kwietnia do września. 

Należy jednak podkreślić, że moduły fotowoltaiczne produkują energię także w dni pochmurne – choć z obniżoną wydajnością, instalacja nadal zasila odbiorniki i częściowo pokrywa bieżące zapotrzebowanie gospodarstwa domowego.

Znaczenie kąta padania promieni słonecznych na pracę systemu PV w okresie zimowym

Niskie poruszanie się słońca zimą nad horyzontem znacząco zmienia warunki pracy instalacji fotowoltaicznej. W okresie od listopada do stycznia promieniowanie słoneczne dociera do modułów PV pod mniej korzystnym kątem ze względu na wyraźnie krótszy dzień. W przypadku systemów o orientacji wschód–zachód skutkuje to szczególnie odczuwalnym spadkiem pozyskanej energii ze względu na to, że największa produkcja przypada zwykle na godziny poranne i popołudniowe, kiedy zimą nasłonecznienie jest ograniczone. 

Maksymalna generacja energii występuje jedynie w okolicach południa. Podczas projektowania instalacji należy uwzględnić orientację i kąt nachylenia modułów, jak również lokalizację geograficzną oraz ukształtowanie terenu. Mgły, wzniesienia, zadrzewienie czy sąsiednia zabudowa mogą dodatkowo skracać czas efektywnego nasłonecznienia i zwiększać zjawisko zacienienia. Z tego względu w warunkach zimowych korzystniejszym rozwiązaniem okazuje się większe nachylenie modułów. 

Instalacje dachowe o kącie nachylenia w granicach 10–30° są optymalne głównie dla produkcji energii w sezonie letnim, natomiast bardziej strome konstrukcje montażowe lub systemy elewacyjne (z modułami ustawionymi niemal pionowo) pozwalają lepiej wykorzystać niskie zimowe promieniowanie słoneczne. Dodatkową zaletą takiego rozwiązania jest mniejsza podatność na długotrwałe zacienienie oraz ograniczenie strat wynikających z zalegania na modułach śniegu.

Uzysk energii z instalacji fotowoltaicznej w okresie zimowym

Dla Polskich warunków klimatycznych najwyższe uzyski energii pochodzącej z instalacji fotowoltaicznej przypadają na okres od marca do października. W miesiącach letnich system PV może pokrywać znaczną część zapotrzebowania gospodarstwa domowego, a często generuje także wyraźne nadwyżki energii, ze względu na bardzo dobre warunki nasłonecznienia, a także długość dnia. 

Instalacja fotowoltaiczna o mocy zainstalowanej 10 kWp, ustawiona w kierunku południowym pod kątem około 30° jest w stanie latem produkować średnio 50–60 kWh energii elektrycznej dziennie. W okresie zimowym sytuacja ta wygląda nieco inaczej. Ze względu na krótszy dzień, niskie położenie słońca nad horyzontem oraz częste zachmurzenie, uzysk energii znacząco spada. W przypadku klasycznej instalacji dachowej zimowa produkcja energii może wynosić zaledwie około 10% wartości osiąganych latem. 

Dla systemu o mocy zainstalowanej 10 kWp oznacza to średnio około 1 kWh dziennie w najtrudniejszych miesiącach zimowych. Ciekawą alternatywą w tym przypadku mogą być instalacje elewacyjne skierowane na południe. Dzięki niemal pionowemu ustawieniu (około 90°) są one w stanie lepiej wykorzystać niskie zimowe promieniowanie słoneczne oraz rzadziej są pokrywane śniegiem. W efekcie system o mocy 10 kWp może wytwarzać zimą nawet około 10 kWh dziennie. Najniższe uzyski notuje się zwykle w okresie listopad-styczeń.

Analiza dla instalacji o mocy 8 kWp

Analiza danych dla instalacji PV o mocy 8 kWp pokazuje wyraźny wpływ orientacji oraz kąta nachylenia na zimową produkcję energii. Przykładowo w styczniu instalacja ustawiona w układzie wschód–zachód (30°) była w stanie wygenerować około 210 kWh (a przy zalegającym śniegu nawet poniżej 100 kWh), podczas gdy system skierowany na południe pod kątem 30° osiąga około 380 kWh, a instalacja elewacyjna południowa osiągnęła nawet 450 kWh. 

Z porównania wynika, że w miesiącach zimowych systemy elewacyjne mogą osiągać uzyski nawet dwukrotnie wyższe niż klasyczne instalacje dachowe, a w warunkach długotrwałego zalegania śniegu różnica ta może wzrosnąć nawet trzykrotnie lub czterokrotnie. Mimo wyraźnej sezonowości produkcji energii z PV wysokie uzyski w miesiącach wiosenno-letnich sprawiają, że roczny bilans energetyczny instalacji fotowoltaicznej pozostaje korzystny, a średni roczny uzysk można uznać za bardzo satysfakcjonujący.

Podsumowanie, czyli jak to jest z fotowoltaiką w zimie?

Instalacja fotowoltaiczna pozostaje technologią w pełni funkcjonalną również w okresie zimowym. Niskie temperatury nie stanowią zagrożenia dla pracy modułów, a w wielu przypadkach mogą nawet sprzyjać ich sprawności. Kluczowym czynnikiem ograniczającym produkcję energii w tym okresie jest zmniejszona ilość promieniowania słonecznego, wynikająca z krótszego dnia, niskiego natężenia promieniowania słonecznego oraz częstszego zachmurzenia. Sezonowa zmienność generacji energii jest naturalną cechą systemów fotowoltaicznych w klimacie umiarkowanym. 

Najniższe wartości produkcji przypadają na miesiące zimowe, jednak wysokie uzyski w okresie wiosenno-letnim rekompensują te spadki w rocznym ujęciu, zapewniając korzystny bilans energetyczny instalacji. Istotne znaczenie dla efektywności pracy systemu zimą ma odpowiednie zaprojektowanie instalacji, uwzględniające orientację, kąt nachylenia modułów, lokalne warunki zacienienia oraz możliwość zastosowania bardziej stromych konstrukcji lub instalacji elewacyjnych. Właściwe dopasowanie parametrów technicznych do warunków klimatycznych pozwala ograniczyć sezonowe straty produkcji i zwiększyć stabilność uzysku energii. 

Podsumowując, fotowoltaika pozostaje technologią efektywną również w okresie zimowym. Mimo obniżonej generacji energii w tym czasie całoroczna eksploatacja instalacji zapewnia wysoką opłacalność inwestycji oraz istotny wkład w realizację celów transformacji energetycznej.

Źródła: kb.pl, blog.fronius.com, ekotechnikaoze.pl, appenergy.pl 

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Tomasz Maciejowski