Instalacje fotowoltaiczne w polskich warunkach klimatycznych narażone są na okresowe opady śniegu i choć w ostatnich latach nie doświadczyliśmy zbyt obfitych opadów śniegu, to zawsze należy być na nie przygotowanym. Pokrywa śnieżna zakrywa powierzchnię modułów fotowoltaicznych, ograniczając moc instalacji, a tym samym zmniejszając uzysk energetyczny. W jaki sposób zadbać o instalację fotowoltaiczną zimą, żeby system zachował prognozowaną wydajność?
Pokrywa śnieżna na instalacji fotowoltaicznej i jej wpływ na uzysk energetyczny
Odpowiednio zaprojektowane i wykonane systemy fotowoltaiczne cechuje niemal całkowita bezobsługowość. Niemniej, w przypadku obfitych opadów śniegu oraz zalegających na panelach fotowoltaicznych czap śnieżnych nierzadko konieczne jest podjęcie stosownych działań prowadzących do usunięcia zalegającego śniegu.
Intensywność akumulowania się śniegu na powierzchni modułów PV uzależniona jest od wielu czynników atmosferycznych, montażowych i lokalizacyjnych.
- Do czynników atmosferycznych należy zaliczyć przede wszystkim prędkość wiatru, poziom nasłonecznienia oraz wilgotność i temperaturę powietrza.
- Czynniki montażowe determinuje konfiguracja geometryczna systemu – kąt nachylenia i skierowania modułów fotowoltaicznych, rodzaj zastosowanych technologii i konstrukcji montażowych czy odległość paneli fotowoltaicznych od gruntu. Im większe nachylenie modułów, tym mniejsze prawdopodobieństwo osadzania się pokrywy śnieżnej na ich powierzchni.
- Naturalnie osadzanie się śniegu zależy także od jego objętości i właściwości, w tym od stopnia wilgotności.
Według badań przeprowadzonych w prowincji Ontario w Kanadzie, zalegający na panelach fotowoltaicznych śnieg ograniczył wydajność systemu fotowoltaicznego w skali roku o 1% do 3,5%[1].
Zgodnie z badaniami opublikowanymi przez bawarskich naukowców, sześcioletnia eksploatacja instalacji dachowej w Monachium o mocy 1 MW i nachyleniu modułów pod kątem 28o spowodowała zaleganie pokrywy śnieżnej i spadek wydajności systemu w zakresie od 0,3 do 2,7% w skali roku[2].
O wiele wyższe straty odnotowali kalifornijscy naukowcy, którzy badali instalację fotowoltaiczną z modułami fotowoltaicznymi zainstalowanymi na płasko. Badania przeprowadzane były w górach Sierra Nevada, w których średnioroczne opady śniegu dochodzą aż do 5 metrów. Straty w systemie wynosiły 26% rocznie[3].
Orientacja paneli fotowoltaicznych i diody bypass
W trakcie zsuwania się śniegu z modułu fotowoltaicznego najwięcej śniegu zawsze pozostaje w dolnej części panelu fotowoltaicznego. Spowodowane jest to konstrukcją krawędzi aluminiowej ramy modułu. Z tego względu kluczowe w zachowaniu bezobsługowości i możliwie dużej wydajności instalacji fotowoltaicznej w okresie zimowym jest odpowiednia orientacja paneli fotowoltaicznych.
Orientacja pionowa lub pozioma modułu fotowoltaicznego ma znaczenie przede wszystkim ze względu na obecność diód bypass, które w przypadku przysypania śniegiem obszaru modułu fotowoltaicznego, w który obsługuje dana dioda, umożliwiają przepływ energii elektrycznej generowanej przez nieprzysypane śniegiem obszary modułu z pominięciem jego zacienionej części. Dzięki temu moduł fotowoltaiczny generuje mniejsze straty i jest w mniejszym stopniu narażony na uszkodzenia.
Zazwyczaj w skrzynkach przyłączeniowych z tyłu paneli montowane są trzy diody bypass. Panele podzielone są na trzy pionowe sekcje biegnące wzdłuż długiej krawędzi panelu. Oznacza to, że jeżeli panele ustawione są poziomo i śnieg przykryje ich dolną krawędź, diody umożliwiają dalsze funkcjonowanie 2/3 powierzchni panelu. Jeżeli panel ułożony będzie pionowo i śnieg przysypie dolną krawędź panelu, wtedy prąd nie będzie płynął przez panel, ponieważ przykryje wszystkie trzy sekcje objęte diodami bypass.
Współczynnik albedo – pozytywny wpływ śniegu na działanie instalacji fotowoltaicznej
Zalegający dookoła instalacji fotowoltaicznej śnieg może również mieć pozytywny wpływ na efektywność i sprawność systemu. W przypadku gdy powierzchnia paneli fotowoltaicznych nie jest przykryta śniegiem, promieniowanie słoneczne odbite od śniegu otaczającego instalację może znacząco zwiększyć natężenie promieniowania świetlnego docierającego do modułów PV.
Co więcej, promieniowanie odbijane od warstwy śniegu może docierać do modułów fotowoltaicznych od tyłu, zwiększając ich temperaturę, a tym samym przyśpieszając proces topnienia śniegu z ich powierzchni roboczej. Zjawisko to jest szczególnie pożądane w instalacjach gruntowych i systemach na dachach płaskich.
Bezpieczne usuwanie śniegu z paneli fotowoltaicznych
Najczęściej śnieg z paneli fotowoltaicznych usuwany jest albo przez jego samoistne topnienie, albo ręcznie przy użyciu narzędzi nierysujących powierzchni modułów PV – np. szczotek z odpowiednio miękkim włosiem.
Według badań niemieckiego instytutu TEC odśnieżanie paneli PV raz dziennie przez 5 dni w tygodniu zwiększyło wydajność badanego systemu o mocy 32 kW i kącie nachylenia modułów o 1,4% względem analogicznego systemu, który nie był odśnieżany[4]. Jak wynika z powyższych badań i obliczeń, które przeprowadziliśmy, odśnieżanie instalacji fotowoltaicznych nie jest opłacalne.
Przemysłowe instalacje fotowoltaiczne wymagają zwykle o wiele większych nakładów środków i zasobów ludzkich do efektywnego usuwania zalegającej pokrywy śnieżnej. Wówczas do odśnieżania zatrudniane są specjalistyczne ekipy – zwykle składające się z profesjonalnych alpinistów. Na instalacjach przemysłowych śnieg usuwa się jedynie w przypadkach, gdy nadmierne obciążenie konstrukcji dachu zagraża jej stabilności.
W przypadku instalacji fotowoltaicznych montowanych na obszarze gospodarstw domowych nie rekomendujemy samodzielnego odśnieżania paneli fotowoltaicznych i narażania się na poślizgnięcie i upadek z dachu lub konstrukcji wsporczej. Samodzielne odśnieżanie grozi też uszkodzeniem instalacji fotowoltaicznej.
Nasze instalacje montowane są pod odpowiednim kątem nachylenia, co sprzyja ich samo oczyszczaniu i ogranicza konieczność ich odśnieżania. Co więcej, wysoka temperatura spowodowana efektem Albedo dodatkowo zwiększa tempo topnienia się pokrywy śnieżnej, a śliska szklana powierzchnia modułów PV ułatwia ześlizgiwanie się warstw śniegu.
[1] R. W. Andrews, A. Pollard i J. M. Pearce, „The Effects of Snowfall on Solar Photovoltaic Performance,” Solar Energy, nr 92, 2013. https://digitalcommons.mtu.edu/cgi/viewcontent.cgi?referer=&httpsredir=1&article=1026&context=materials_fp
[2] G. Becker, B. Schiebelsberger i W. Weber, „An approach to the impact of snow on the yield of grid connected PV systems,” Bavarian Association for the Promotion of Solar Energy, Munich, 2007, http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.464.8842&rep=rep1&type=pdf
[3] T. Townsend i L. Powers, „Photovoltaics and snow: An update from two winters of measurements in the Sierra,” w 37th IEEE PVSC, 2011. https://www.researchgate.net/publication/261042016_Photovoltaics_and_snow_An_update_from_two_winters_of_measurements_in_the_SIERRA
[4] R. Pfister i M. Schneebeli, „Snow accumulation on boards of different sizes and shapes,” Hydrological Processes, nr 13, pp. 2345-2355, 1999. https://www.researchgate.net/publication/248017927_Snow_accumulation_on_boards_of_different_sizes_and_shapes
Zamów bezpłatny Audyt.