Polskę i inne kraje zaatakowała śnieżna i mroźna, długo niewidziana nad Wisłą zima. Rozgorzała dyskusja na temat wadliwości funkcjonowania energetyki słonecznej, w której często pojawiają się nieprawdziwe informacje na temat funkcjonowania fotowoltaiki, raczej wynikające z niewiedzy na ich temat. W piątek 12 lutego 2021 r. o godz. 10:45 odnotowano rekordowe, najwyższe w historii zapotrzebowanie KSE na moc – 27 617 MW (według wstępnych danych). PSE poinformowało, że w momencie rekordu zapotrzebowania planowe saldo wymiany transgranicznej wyniosło ok. 900 MW w kierunku importu do Polski. Produkcja krajowych źródeł PV osiągnęła ok. 1000 MW, z porównywalną mocą pracowały elektrownie wiatrowe. Oznacza to, że rośnie rola OZE w KSE, które dostarczyły więcej energii niż tej importowanej zza granicy. Poniżej dane dotyczące pracy KSE podawane przez PSE w dniu 12 lutego o godzinie 10:42. Był to mroźny piątek, a mimo wszystko fotowoltaika generowała energię.

Źródło: PSE

Źródło: PSE

W celu rozwiania wątpliwości odnośnie funkcjonowania fotowoltaiki podczas zimy zwróciliśmy się do naukowego Instytutu Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego PAN.

Czy duże opady śniegu zagrażają generacji energii w fotowoltaice?

Krzysztof Mik przypomina, że podczas półrocza zimowego instalacje fotowoltaiczne na naszej szerokości geograficznej generują niewielką ilość energii elektrycznej, szacunkowo 20-30 proc. całkowitych rocznych uzysków. Zauważa, że w tym kontekście nawet obfite opady śniegu, który przez dłuższy czas zalega na modułach fotowoltaicznych, nie wpływają istotnie na pogorszenie pracy instalacji w ujęciu rocznym, ponieważ jest to zjawisko spodziewane.

Ekspert zauważa, że nikt nie oczekuje, że fotowoltaika będzie stanowiła podstawę generacji energii elektrycznej podczas zimy. Przyszły skład miksu energetycznego jest kwestią dyskusyjną i obecnie trudno jednoznacznie przewidzieć jego ostateczną formę.

– Na pewno mimo zwrotu w stronę odnawialnych źródeł energii nie będzie możliwe oparcie się tylko na nich, chyba że rozumiane, np. jako power-to-gas, czyli produkcja gazu (lub wodoru) w okresach nadwyżki generacji z OZE i wykorzystywanie jej w okresach, kiedy fotowoltaika, czy turbiny wiatrowe nie są w stanie pokryć zapotrzebowania – wyjaśnia Mik.

Dodaje, że przy takim założeniu nie będzie miało znaczenia, że instalacje fotowoltaiczne  pokrywa śnieg, bo zimą system energetyczny będzie zasilany przez turbiny gazowe spalające gaz wyprodukowany dzięki fotowoltaice latem.

Panele słoneczne a opady śniegu

Czy panele PV radzą sobie w przypadku silnych mrozów i czy trzeba je wspomagać odśnieżaniem i odladzaniem? Mik informuje, że moduły fotowoltaiczne są odporne na niskie temperatury, dlatego mrozy im nie szkodzą. Często na kartach katalogowych jest umieszczona informacja o zakresie temperatur pracy, który zwykle wynosi od -40 do +85 °C. Gwarantuje to zgodność z normą PN-EN 61215. W ramach tej normy moduły przechodzą testy thermal cycling oraz humidity-freeze, podczas których okresowo poddawane są właśnie temperaturze -40 °C.

Ekspert z Instytutu Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego PAN wskazuje, że odśnieżanie i odladzanie to czynności, które nie wpływają istotnie na roczne uzyski, więc ich podejmowanie jest raczej nieopłacalne, szczególnie w przypadku mikroinstalacji.

– Szacuje się, że przy typowym nachyleniu instalacji, straty spowodowane śniegiem nie przekroczą 3,5 proc. w skali roku, a zwykle są jeszcze mniejsze. Wynika to też z faktu, że moduły będą miały tendencję do „samoodśnieżania”. Śnieg w pewnym momencie powinien zacząć się zsuwać pod wpływem własnego ciężaru. Ponadto niewielka część promieniowania słonecznego jest w stanie przeniknąć przez cienką warstwę śniegu, co może wystarczyć do jego stopienia. Sprzyjać temu może odsłonięcie części modułu. Jeśli jego reszta będzie odpowiednio szczelnie pokryta śniegiem, to moduł zacznie działać jak rezystor i oddawać ciepło – wyjaśnia Mik.

Ekspert podkreśla że śnieg stanowi większy problem w przypadku instalacji o bardzo małym kącie nachylenia. Wtedy straty z tego względu mogą wynosić nawet kilkanaście procent, ale to dotyczy przede wszystkim obszarów o bardzo dużych rocznych opadach śniegu.

– Połączenie silnych mrozów i obfitych opadów śniegu nie powinno sprzyjać jego gromadzeniu na powierzchni modułów, ponieważ badania pokazują, że poniżej  -3°C kryształki śniegu po prostu odbijają się od powierzchni modułów. Czasem może zaistnieć potrzeba odśnieżenia instalacji słonecznych wynikająca z ryzyka przekroczenia dopuszczalnych obciążeń dachu – wyjaśnia ekspert.

Panele słoneczne a mrozy

Prawdą jest, że praca modułu fotowoltaicznego jest ściśle związana z temperaturą. Mik zauważa, że jej wzrost przyczynia się do zmniejszenia jego mocy, czyli w niskiej temperaturze będzie on funkcjonował lepiej pod warunkiem, że będzie otrzymywał odpowiednią ilość promieniowania.

– W mroźne i słoneczne dni moduły są w stanie pracować z mocą nawet wyższą niż określona na tabliczce znamionowej, choć zdarza się to bardzo rzadko. Jednocześnie w takie dni istnieje ryzyko, że zostanie przekroczone maksymalne przewidziane napięcie łańcucha modułów, co może spowodować, np. uszkodzenia falownika, ale również jest to mało prawdopodobne – wyjaśnia przedstawiciel instytutu PAN.

Krzysztof Mik podkreśla, że ogniwa są bardzo wrażliwe na zmiany oświetlenia. Dwukrotne zmniejszenie natężenia promieniowania przekłada się na około dwukrotny spadek natężenia prądu zwarcia. Temperatura otoczenia istotnie oddziałuje na pracę ogniwa podobnie jak natężenie promieniowania słonecznego. Oba te czynniki wpływają na temperaturę modułu.

– Urządzenie nagrzewa się głównie od promieniowania słonecznego, ale wyższa temperatura otoczenia zmniejsza wymianę ciepła pomiędzy modułem a powietrzem, co w oczywisty sposób przekłada się na temperaturę jego pracy. Jej wzrost skutkuje dużym spadkiem napięcia obwodu otwartego i niewielkim zwiększeniem się natężenia prądu zwarcia. Wypadkowy efekt tych zmian stanowi obniżenie mocy i sprawności modułu – wyjaśnia Mik.

Ekspert tłumaczy, że zmniejszenie napięcia wynika głównie ze zwiększonej termicznej generacji samoistnych nośników, a w konsekwencji większych strat z powodu rekombinacji. Jednocześnie obniża się też bariera potencjału, ponieważ elektrony mają większą energię, więc potrzeba mniejszej energii do rozerwania wiązań. Dlatego więcej fotonów jest w stanie wygenerować parę elektron-dziura. W rezultacie maleje napięcie obwodu rozwartego, ale rośnie natężenie prądu.

Redakcja GLOBEnergia