Czy panele fotowoltaiczne działają w pochmurne dni i w nocy?

Fotowoltaika w pochmurne dni, czyli kilka słów o promieniowaniu rozproszonym

Jeśli trafiliście na ten artykuł, z pewnością wiecie już, że fotowoltaika działa w ten sposób, że przekształca energię słoneczną w energię elektryczną. Innymi słowy, do działania potrzebuje promieni słonecznych.

Nasłonecznienie w Polsce, według różnych źródeł, oscyluje w granicach od 950 do 1.160 kWh/m²/rok. Średnio przyjmuje się jednak wartość na poziomie 1.000 kWh/m²/rok. Nasz kraj posiada zatem doskonały potencjał do produkcji energii ze słońca. Niestety, nie cała ta energia dociera bezpośrednio do modułów fotowoltaicznych. Na jej drodze stają różnego rodzaju przeszkody - w postaci np. zanieczyszczeń zawieszonych w powietrzu, ale też właśnie chmur (które składają się z kropelek wody lub lodu o średnicy kilkunastu mikrometrów). Gdy wiązka fotonów (promieniowania słonecznego) natrafi na chmurę, ulega rozproszeniu.

Energia w promieniowaniu rozproszonym nadal dociera do powierzchni Ziemi, ale jest jej mniej i pada w bardziej niekontrolowany sposób (kąt padania i kierunek jest bardziej przypadkowy). Jak to wpływa na pracę instalacji fotowoltaicznej? Czy panele fotowoltaiczne działają w pochmurne dni, gdy promieniowanie jest rozproszone?

Czy panele fotowoltaiczne działają w pochmurne dni?

Odpowiedź na pytanie, czy fotowoltaika w pochmurne dni produkuje energię jest prosta - tak! Moduły fotowoltaiczne są przystosowane do tego, by generować energię również przy niskim napromieniowaniu - czyli wtedy, gdy dociera do nich światło rozproszone przez chmury.

Warto zauważyć, że jak wynika z dostępnych danych pomiarowych, promieniowanie rozproszone ma niebagatelny udział w całkowitym promieniowaniu docierającym do powierzchni ziemi w Polsce. Wynosi od 47% dla okresów letnich do 70% w okresach zimowych.

Według badaczy, dni pochmurne to takie, w których średnie zachmurzenie jest większe niż 80%. Takich dni w Polsce jest ok. 120-160. Dni pogodnych (gdy zachmurzenie wynosi średnio 20%) jest ok. 30-50, a więc znacznie mniej.

Fotowoltaika w pochmurne dni - ile wyprodukują panele w pochmurny dzień?

Jak to możliwe, że pomimo dość dużej ilości pochmurnych dni, panele fotowoltaiczne są w stanie produkować energię?

Przede wszystkim należy wiedzieć, że moc modułów podawana jest w odniesieniu do tzw. testowych warunków STC (Standard Test Conditions), które zakładają promieniowanie na poziomie 1000 W/m²/rok. Jak już wiemy, w Polsce takie wyniki nie trafiają się często. Dlatego, aby ustalić, ile energii wyprodukuje fotowoltaika w pochmurne dni, pod uwagę należy wziąć nie tylko ilość promieni słonecznych, ale także tzw. sprawność względną modułów fotowoltaicznych. Jest to parametr, który mówi jaką sprawność posiadają panele PV w warunkach ograniczonego promieniowania słonecznego.

Gdzie można znaleźć tego typu informacje? Dobra wiadomość jest taka, że wielu producentów (choć niestety nie każdy) umieszcza ten parametr w kartach katalogowych. Nowoczesne, wysokiej jakości monokrystaliczne moduły fotowoltaiczne nawet przy niskim nasłonecznieniu (200 W/m2) będą posiadały ok. 97-98% sprawności wyjściowej. Urządzenia ze średniej półki, powinny osiągnąć wynik na poziomie ok. 94-96%.

Źródło: karta katalogowa REC Alpha

Jak widać na powyższym przykładzie, moduł REC przy nasłonecznieniu na poziomie 200 W/m2 osiąga ok. 96% sprawności wyjściowej. Zatem, jeśli w nasłonecznieniu właściwym dla STC (1000 W/m2) osiągał 21,2% sprawności, w 5-krotnie niższym nasłonecznieniu, efektywność wyniesie ok. 20,35%.

Posiadając informacje o natężeniu promieniowania słonecznego, sprawności oraz wymiarach modułu, można obliczyć, jaką moc będzie osiągał moduł, gdy słońca będzie niewiele:

200 W/m2 x 0,2035 x 1,75 = 71,22 W

Oznacza to, że początkowa moc urządzenia (370 W) spadnie o ok. 300 W, to nieco ponad 70 W. Przy wartości granicznej - 500 W/m2, sprawność sięga już ok. 99% efektywności wyjściowej, a wszystko to przekłada się na większą moc i uzyski.

Jak wynika z praktyki, uzyski z instalacji fotowoltaicznych w Polsce są co najmniej zadowalające. Poniżej roczne uzyski z demonstracyjnej instalacji o mocy 20,74 kW zamontowanej przez Grodno Fotowoltaika.

Źródło: solarweb.com

Łączny uzysk energii w 2020 roku to aż 21,23 MWh (21.230 kWh), co oznacza, że 1 kWp instalacji wyprodukował przeciętnie 1.023 kWh energii. Jak widać, fotowoltaikę należy analizować w szerszym, całorocznym kontekście, a nie w odniesieniu do pojedynczych, pochmurnych dni.

Fotowoltaika a brak słońca: Czy fotowoltaika działa w nocy?

Analizując temat fotowoltaiki i braku słońca, niektórzy zadają sobie pytanie, czy fotowoltaika działa w nocy?

Sprawa nie jest bowiem jeszcze całkowicie przesądzona. Badacze cały czas szukają rozwiązań, które pozwoliłyby uczynić moduły przydatne do generowania energii również nocą.

Panele fotowoltaiczne “nocne”

Pierwszym krokiem do tego były badania Uniwersytetu Rice w Teksasie, które pozwoliły na stworzenie układu konwertującego promieniowanie podczerwone (odbierane przez nas jako ciepło), w światło widzialne, czyli takie, które wykorzystują moduły PV do produkcji energii. Panele pracując, wytwarzają ciepło, które do tej pory było uważane za “odpad”. Dzięki badaniom teksańskich naukowców możliwe jest jego efektywne wykorzystanie. Do podobnego wniosku doszli naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis - według nich możliwe jest opracowanie specjalnych, termoradiacyjnych modułów wykorzystujących promieniowanie cieplne (podczerwień) oddawane przez nagrzaną powierzchnię Ziemi, do generowania energii. Ich rozwiązanie określa się jako “Anti-solar cell”. Zakłada się, że tego typu panele mogłyby osiągać ok. 25% wydajności klasycznych modułów krzemowych.

Fotowoltaika a brak słońca: ogniwa z perowskitu działają przy sztucznym świetle

Spore nadzieje pokłada się również w modułach wykonanych z perowskitów, które posiadają ciekawą właściwość - a mianowicie mogą produkować energię ze… sztucznego światła! Badacze z Uniwersytetu Tor Vergata w Rzymie, Universidad Surcolombiana i Instytutu Fraunhofera w testach z oświetleniem LED ustalili, że ogniwa perowskitowe mają wydajność 20,6 procent przy świetle poniżej 200 luksów i 22,6 procent poniżej 400 luksów. W domach, sklepach, biurach i innych budynkach oświetlenie wewnętrzne na ogół osiąga poziom od 100 do 500 luksów - w badaniach tych jest więc spory potencjał. A trzeba podkreślić, że ogniwa perowskitowe to stosunkowo nowa technologia, nad którą wciąż bardzo intensywnie się pracuje i w kontekście której, wiele wciąż trzeba odkryć.

Podsumowując, fotowoltaika potrafi działać w pochmurne dni i nawet w przypadku niewielkiego natężenia promieni słonecznych jest w stanie dostarczać Wam energii. Jak na razie, jedynym większym ograniczeniem dla modułów jest noc. Jednak może się okazać, że już niebawem rozwój technologii fotowoltaicznych pokona również i tę przeszkodę.