Jak działa fotowoltaika bez słońca? Produkcja energii w zachmurzenie i zimą

Czy fotowoltaika działa bez słońca? Produkcja energii w pochmurne dni

Fotowoltaika to technologia coraz powszechniej stosowana w Polsce i na świecie jako ekologiczne i ekonomiczne źródło energii elektrycznej. Jej rozwój jest odpowiedzią na rosnące potrzeby energetyczne społeczeństw oraz konieczność przeciwdziałania zmianom klimatycznym. Kluczowym czynnikiem, który wpływa na skuteczność instalacji PV, jest promieniowanie słoneczne. Jednak w codziennej praktyce pojawia się pytanie: czy panele fotowoltaiczne działają w pochmurne dni, kiedy słońce jest zasłonięte przez chmury? Niniejszy artykuł to obszerne opracowanie tego zagadnienia, oparte na danych naukowych, statystykach, doświadczeniach branżowych oraz analizie czynników technologicznych i klimatycznych.

Zasada działania paneli fotowoltaicznych

Efekt fotowoltaiczny

Panele fotowoltaiczne przekształcają energię promieniowania słonecznego w energię elektryczną dzięki zjawisku fizycznemu znanemu jako efekt fotowoltaiczny. Gdy fotony światła padają na półprzewodnikowy materiał, najczęściej wykonany z krzemu, wybite zostają elektrony, które przemieszczają się, tworząc przepływ prądu elektrycznego. Proces ten zachodzi nawet przy słabszym oświetleniu, choć z mniejszą intensywnością.

Rola promieniowania słonecznego

Największa efektywność uzyskiwana jest przy bezpośrednim promieniowaniu słonecznym, czyli wtedy, gdy promienie słoneczne bez przeszkód docierają do powierzchni paneli. Niemniej jednak, promieniowanie rozproszone, które dominuje w dni pochmurne, również aktywuje ogniwa fotowoltaiczne. Dzięki temu nawet przy zachmurzonym niebie instalacja PV może generować prąd, choć w mniejszym zakresie.

Rodzaje promieniowania i ich wpływ na działanie PV

Promieniowanie bezpośrednie

Jest to światło docierające bezpośrednio ze słońca bez rozproszenia w atmosferze. Odpowiada ono za najwyższe uzyski energii i stanowi podstawę do projektowania instalacji PV w warunkach słonecznych.

Promieniowanie rozproszone

Pochodzi z odbicia i rozproszenia światła na cząsteczkach powietrza, kroplach wody i innych elementach atmosfery. W pochmurne dni jest to główne źródło światła wykorzystywane przez instalacje fotowoltaiczne. Mimo zmniejszonego natężenia, panele są w stanie z niego korzystać, co jest kluczowe w klimacie umiarkowanym.

Promieniowanie odbite (albedo)

To światło odbite od powierzchni takich jak śnieg, beton, piasek czy dachy budynków. Może w niewielkim stopniu podnosić produkcję energii, szczególnie w miesiącach zimowych, kiedy pokrywa śnieżna odbija światło w kierunku paneli.

Wydajność paneli w pochmurne dni

Spadek efektywności

W pochmurne dni produkcja energii może spaść nawet do poziomu 10–50% dziennego maksimum osiąganego w słoneczne dni. W skrajnych przypadkach, takich jak burze z bardzo gęstym zachmurzeniem, spadki mogą wynosić nawet 90%. Jest to jednak sytuacja przejściowa, a dzięki rozliczeniom rocznym, jej wpływ na rentowność instalacji może być zminimalizowany.

Przykładowe dane

W Polsce zimą, przy mocno zachmurzonym niebie, instalacja o mocy 5 kWp może wyprodukować od 0,5 do 5 kWh dziennie. Dla porównania, latem ten sam system generuje od 20 do 25 kWh dziennie. Oznacza to, że nawet w okresie najmniejszego nasłonecznienia panele nie przestają działać całkowicie.

Udział promieniowania rozproszonego

Według badań Instytutu Energetyki Odnawialnej, średni roczny udział promieniowania rozproszonego w Polsce wynosi około 45%, co oznacza, że niemal połowa całkowitej energii pochodzi z tego źródła. Ma to szczególne znaczenie w regionach o dużej liczbie dni pochmurnych, takich jak północna Polska.

Czynniki technologiczne poprawiające pracę PV w pochmurne dni

Typ ogniwa

• Monokrystaliczne: Cechują się bardzo wysoką sprawnością i dobrze radzą sobie także przy słabszym nasłonecznieniu.
• Polikrystaliczne: Mają nieco niższą wydajność w świetle rozproszonym, ale są tańsze w produkcji.
• Cienkowarstwowe: Wyróżniają się najlepszą tolerancją na zacienienie i światło rozproszone, ale ich ogólna sprawność jest niższa.

Mikroinwertery i optymalizatory mocy

Zamiast jednego inwertera dla całej instalacji, mikroinwertery działają przy każdym panelu oddzielnie, co pozwala lepiej zarządzać energią i maksymalizować uzysk, nawet jeśli część paneli jest zacieniona lub narażona na nierówne oświetlenie.

Algorytmy zarządzania energią

Nowoczesne falowniki korzystają z algorytmów opartych na sztucznej inteligencji, które analizują dane meteorologiczne, produkcyjne i zapotrzebowania domowego, optymalizując zużycie oraz momenty oddawania energii do sieci.

Rola magazynowania energii

Akumulatory

Systemy bateryjne pozwalają na gromadzenie nadwyżek energii wyprodukowanej w ciągu dnia i wykorzystywanie ich w nocy lub podczas pogorszenia warunków pogodowych. Dzięki temu możliwe jest zapewnienie ciągłości zasilania, szczególnie w instalacjach niezależnych od sieci energetycznej.

Net-billing

W Polsce od 2022 roku obowiązuje system net-billingu, który zastąpił wcześniejszy system opustów. Umożliwia on sprzedaż nadwyżek energii do sieci po cenie rynkowej i zakup energii w razie niedoboru. Dobrze zaprojektowany system fotowoltaiczny pozwala na osiągnięcie korzystnego bilansu rocznego, nawet jeśli w niektórych miesiącach produkcja jest znacząco niższa.

Znaczenie lokalizacji i instalacji

Kąt nachylenia i ekspozycja

Dobrze zaprojektowana instalacja powinna być skierowana na południe i mieć kąt nachylenia zbliżony do 30–40°, co zapewnia optymalne nasłonecznienie przez większą część roku. W przypadku dachów skośnych kąt może wynikać z konstrukcji budynku, dlatego w razie potrzeby stosuje się konstrukcje wsporcze.

Brak zacienienia

Elementy architektoniczne, drzewa czy instalacje sąsiednie mogą rzucać cień na moduły PV, co szczególnie w pochmurne dni pogarsza już i tak ograniczoną produkcję energii. Dlatego istotna jest analiza potencjalnych przeszkód jeszcze na etapie projektowania.

Fotowoltaika w zimie i w deszcz – prawdziwa efektywność instalacji PV

Produkcja energii zimą

Zima to okres o najniższej produkcji energii w skali roku. Grudzień, styczeń i luty charakteryzują się niskim kątem padania promieni słonecznych, krótkim dniem i częstym zachmurzeniem. Mimo to instalacje PV nie przestają działać. Produkcja w tym okresie wynosi średnio 5–8% rocznej generacji, co może pokryć podstawowe zużycie energii elektrycznej w domu.

Zjawisko odbicia od śniegu

Śnieg, choć może zakrywać panele i wymagać ich oczyszczenia, działa również jako naturalny reflektor. Jasna powierzchnia odbija światło słoneczne, zwiększając ilość promieniowania odbitego, które trafia do modułów PV i może podnieść efektywność w słoneczne zimowe dni.

Fotowoltaika w perspektywie całorocznej

Instalacja PV powinna być projektowana z myślą o bilansie rocznym, a nie o chwilowych spadkach wydajności. W skali całego roku, nawet przy spadkach produkcji zimą i w pochmurne dni, możliwe jest osiągnięcie wysokiego poziomu samowystarczalności energetycznej. W Polsce, według danych Głównego Urzędu Statystycznego oraz Urzędu Regulacji Energetyki, dobrze zaprojektowana instalacja PV może zaspokoić od 60% do nawet 100% rocznego zapotrzebowania energetycznego gospodarstwa domowego.

Produkcja prądu w pochmurne dni – czy fotowoltaika się wtedy opłaca?

Fotowoltaika nie wymaga pełnego nasłonecznienia, by działać. Nawet w pochmurne dni systemy PV generują energię dzięki promieniowaniu rozproszonemu. Choć efektywność wtedy spada, to jednak nie dochodzi do zatrzymania pracy instalacji. Nowoczesne technologie, takie jak mikroinwertery, magazyny energii czy inteligentne algorytmy sterujące, pozwalają na maksymalizację uzysków przez cały rok. Kluczem do sukcesu jest odpowiednie zaprojektowanie systemu z uwzględnieniem lokalnych warunków atmosferycznych, kątów padania światła, rodzaju ogniw oraz sposobu rozliczenia z operatorem sieci. Fotowoltaika, jako inwestycja długoterminowa, pozostaje jednym z najskuteczniejszych narzędzi w walce z rosnącymi cenami energii i zmianami klimatu.