Jak pogoda wpływa na produkcję energii słonecznej i wiatrowej

Co powinniśmy wziąć pod uwagę, zanim skorzystamy z niektórych źródeł odnawialnych?

Najważniejszą rolę w produkcji energii ze źródeł odnawialnych pełnią warunki pogodowe. Pozyskiwana energia promieniowania słonecznego, która przekształcana jest przez panele fotowoltaiczne czy też kolektory słoneczne jest całkowicie zależna od: nasłonecznienia, zachmurzenia, temperatury powietrza oraz zaśnieżenia. W przypadku farm wiatrowych głównymi czynnikami określającymi produkcję są: prędkość wiatru, zmienność kierunku wiatru czy też burze i inne ekstremalne warunki. Różni się ona w zależności od budowy terenu i jego lokalizacji: szerokości geograficznej; wysokości nad poziomem morza; oddalenia od mórz, oceanów, jezior; zabudowy terenu. Wszystkie te zależności zostaną dokładnie omówione w dalszej części artykułu.

Instrumenty meteorologiczne w energetyce odnawialnej

Zależnie od ulokowania naszej infrastruktury OZE warunki pogodowe mogą być różne. Z tego powodu bardzo ważnym zadaniem jest znalezienie dobrego miejsca w celu osiągnięcia jak najwyższej wydajności systemu. Głównym narzędziem pełniącym tę funkcję jest prognoza pogody, którą można podzielić na kilka rodzajów, w czym każda odgrywa ważną rolę w planowaniu efektywności i zwrotu inwestycji.

• Dane meteorologiczne PVGIS

Jest to ogólnodostępne narzędzie niezbędne do symulacji energetycznych dla odnawialnych źródeł energii, zawierające informacje na temat nasłonecznienia, prędkości wiatru, kierunku wiatru i tym podobnych. Użytkownik jest w stanie wybrać dokładne współrzędne geograficzne lub wprowadzić lokalizację za pomocą podania adresu. PVGIS pozwala wyświetlać informacje pogodowe na różne sposoby: w formie automatycznie wygenerowanych wykresów, jako informację w formacie tekstowym (CSV), jako dokument PDF. Także na stronie producenta istnieje możliwość symulacji systemów fotowoltaicznych, która podaje informacje na temat zaciemnienia, produkcji oraz czasu pracy.

• Długoterminowe i krótkoterminowe prognozy klimatyczne

Wykorzystywane są one w prognozie pogody w dłuższych/krótszych terminach czasowych, pozwalają one przewidywać produkcję i zarządzać pracą instalacji. Prognozy długoterminowe im bardziej oddalone w czasie, tym mniej są dokładne. Dla 10-dniowych prognoz pogody prawdopodobieństwo ich wystąpienia ocenia się na poziomie 50-60%.

Fotowoltaika a pogoda – wpływ lokalnych warunków klimatycznych na wydajność układu

Jak już powyżej wspomniano, na wydajność fotowoltaiki głównie wpływa kilka czynników, jednym z nich jest nasłonecznienie. Odgrywa ono główną rolę w zjawisku fotowoltaicznym (polega ono na powstawaniu siły elektromotorycznej w ciele stałym pod wpływem promieniowania świetlnego). 

Na przedstawionym poniżej wykresie można zaobserwować zależność promieniowania słonecznego i generacji energii z paneli fotowoltaicznych, obie krzywe posiadają podobny kształt, co pokazuje ich wzajemną zależność. Na przedstawionym przykładzie energia generowana oscyluje w okolicach 25% wartości nasłonecznienia, czyli w maksymalnej granicy sprawności paneli krzemowych, monokrystalicznych. Warto dodać, że nasłonecznienie jest głównie zależne od szerokości geograficznej – im bliżej równika, tym większa średnia rocznego promieniowania.

Następnym czynnikiem jest zachmurzenie. Częściowe zachmurzenie zmniejsza efektywność modułów w zakresie 60-80% pierwotnej mocy. W przypadku całkowitego zachmurzenia efektywność paneli PV sięga maksymalnie 10-20%, a instalacja w ogóle nie produkuje energii po zmroku. Warto dodać, że pomimo zachmurzenia i redukcji promieniowania bezpośredniego, zawsze występuje promieniowanie rozproszone, które także ma wpływ na pracę ogniw fotowoltaicznych.

Kolejno wpływ ma temperatura. Jej wzrost powoduje zmniejszenie napięcia na panelu, co skutkuje zmniejszeniem jego wydajności. Dlatego największą generację panele słoneczne osiągają w zimne słoneczne dni.

Ostatnim wspomnianym wyżej czynnikiem jest zaśnieżenie. Warstwa śniegu przykrywająca powierzchnię panelu słonecznego skutecznie zmniejsza generację energii z powodu ograniczonego dostępu do promieniowania słonecznego. W przypadku instalacji fotowoltaicznych znajduje się na to proste rozwiązanie tego problemu, wystarczy zamontować panele pod kątem 30-35°, aby śnieg zsuwał się z paneli.

Kolektory słoneczne a panele fotowoltaiczne

Zarówno panele fotowoltaiczne, jak i kolektory słoneczne wykorzystują energię promieniowania słonecznego, jednak sposób jej wykorzystania jest inny. Panele fotowoltaiczne przekształcają tę energię w energię elektryczną, kiedy zadaniem kolektorów jest pobieranie i transfer energii cieplnej. Jedną z niewielu różnić pod względem pracy w podobnych warunkach jest zależność temperaturowa i wrażliwość na cień. W przypadku kolektorów wzrost temperatury powoduje zwiększenie wydajności i sprawności. Także są bardzo wrażliwe na zacienienie, które może drastycznie zmniejszyć ich wydajność, choć nie tak jak fotowoltaika.

• Zapraszamy na konferencję o modelowaniu w energetyce – szczegóły znajdziesz w materiale: VII Dzień Novej Energii – Zamodelujmy Energetyczną Przyszłość!

Farmy wiatrowe a pogoda – wpływ lokalnych warunków klimatycznych oraz gdzie ulokować turbinę

Najważniejszym czynnikiem wpływającym na lokalizację turbiny wiatrowej jest prędkość wiatru. Na jej podstawie można poznać liczbę godzin pracy turbiny w roku oraz jej generację energii. Takie kalkulacje można wykonać na podstawie danych ze PVGIS TMY (Typical Meteorological Year). Mogą być one podstawą do oszacowania opłacalności oraz zwrotu inwestycji.

Równie istotnym parametrem przy doborze miejsca instalacji jest zmienność kierunku wiatru. Zazwyczaj większość nowoczesnych turbin jest wyposażona w system „yaw”, odpowiadający za zmianę kierunku ustawienia gondoli prostopadle do wiatru w celu zwiększenia efektywności systemu. Nie jest to system idealny, działa on z opóźnieniem, oraz w samych farmach wiatrowych turbiny wiatrowe ustawiane są w taki sposób, aby unikać efektu cienia aerodynamicznego (martwa strefa, w której ciecz lub gaz jest nieruchomy).

Także nieprzewidywalne warunki pogodowe mogą powodować niekorzystne zachowania turbin. W przypadku wysokich prędkości wiatru może dojść do osiągnięcia prędkości wyłączeniowej (jest to zazwyczaj 25 m/s dla turbiny o poziomej osi obrotu). Wiąże się to z awaryjnym wyłączeniem turbiny i przerwą w generacji energii. Oblodzenie łopat turbiny drastycznie zmniejsza jej wydajność. Wynika to z dodatkowej masy oraz zwiększonej chropowatości. Coś takiego także może wprowadzić turbinę w drgania, narażając części na szybsze zużycie, skracając przy tym czas jej życia. Można także dodać, że potwierdzony został negatywny wpływ opadów atmosferycznych na parametry aerodynamiczne turbin (erozja łopat).

Podsumowanie

Pogoda jest nieprzewidywalna, ale w przypadku długich okresów można zaobserwować pewne schematy. Mogą się one okazać pomocne w podjęciu decyzji budowy instalacji OZE. Dzięki danym meteorologicznym zdobytym na przestrzeni kilkunastu lat możliwe jest przeprowadzenie dokładnych analiz pozwalających oszacować wydajność układów oraz opłacalność i zwrot inwestycji.

Każdy system działa inaczej i potrzebuje różnych warunków pogodowych.

Elektrownie fotowoltaiczne:

• Wysokie wartości nasłonecznienia 
• Niskie temperatury powietrza
• Małe zachmurzenie
• Rzadkie opady atmosferyczne
• Niskie zaciemnienie

Kolektory słoneczne:

• Wysokie wartości nasłonecznienia 
• Wysokie temperatury powietrza
• Małe zachmurzenie
• Rzadkie opady atmosferyczne
• Niskie zaciemnienie (duża wrażliwość na cień) 

Elektrownie wiatrowe:

• Stabilność kierunku wiatru
• Unikanie lokalizacji z częstymi opadami śniegu lub burz
• Rzadko występujące opady atmosferyczne (minimalizacja wystąpienia erozji)

Wybór odpowiedniego źródła energii odnawialnej powinien zostać wcześniej poddany dokładnej analizie, a następnie odpowiednio dobrany. 

Źródła: panele-sloneczne.com, sciencedirect.com, re.jrc.ec.europa.eu

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH
Jakub Ekes