Fotowoltaika zimą. Wydajność, produkcja i mity. Jak pracują panele słoneczne w chłodzie i śniegu?

Czy zimą fotowoltaika w ogóle działa? Obalamy mit o mrozie i sprawności ogniw

Wśród inwestorów indywidualnych powszechnie pokutuje przekonanie, że spadek temperatury poniżej zera zatrzymuje lub drastycznie ogranicza produkcję prądu ze słońca. To podstawowy błąd poznawczy. Półprzewodnikowe ogniwa krzemowe, z których zbudowana jest przeważająca większość paneli na polskich dachach, generują energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego. Kluczem jest natężenie promieniowania świetlnego, a nie temperatura otoczenia.

Co ciekawe, niska temperatura działa na korzyść mikrostruktury paneli. Podczas gorących, letnich dni ogniwa nagrzewają się nawet do 60-70°C, co prowadzi do obniżenia ich sprawności napięciowej. Zimą chłodne powietrze i wiatr sprawnie odprowadzają ciepło z modułów.

Co to oznacza w praktyce? Jeśli porównamy pracę ogniwa o temperaturze 25°C z ogniwem o temperaturze 0°C przy identycznym natężeniu światła, różnica 25 stopni przekłada się na około 7,25% wyższą moc maksymalną na korzyść chłodniejszego modułu. Zima stworzyłaby wręcz idealne warunki do bicia rekordów wydajności, gdyby nie jeden decydujący czynnik - astronomicznie krótki dzień i niska pozycja słońca nad horyzontem.

• Czytaj też: Rząd zmienił zasady dla fotowoltaiki. Twoja instalacja będzie musiała spełnić nowe wymogi, ale dopiero za... 18 miesięcy

Ile prądu wyprodukuje instalacja 5 kWp i 20 kWp od listopada do lutego?

Aby precyzyjnie zobrazować strukturę produkcji energii w polskich warunkach klimatycznych, warto przeanalizować model symulacyjny Komisji Europejskiej PVGIS 5.3 (oparty na bazie danych promieniowania SARAH3 z lat 2005–2023). Przyjmijmy jako punkt odniesienia lokalizację w południowej Polsce np. w Krakowie, skierowanie paneli idealnie na południe, optymalne nachylenie dachu pod kątem 39° oraz standardowe straty systemowe na poziomie 14%.

W takich warunkach roczny uzysk dla typowej domowej instalacji o mocy 5 kWp wynosi 5 425 kWh, natomiast dla większej instalacji 20 kWp sięga 21 698 kWh. Jak ten wynik rozkłada się na poszczególne pory roku?

• Jesień (wrzesień – listopad): Odpowiada za około 21,3% całorocznej produkcji. Dla instalacji 5 kWp jest to 1 158 kWh, a dla 20 kWp – 4 630 kWh.
• Zima (grudzień – luty): Zapewnia 13,1% rocznego uzysku. Instalacja 5 kWp wygeneruje w tym okresie 710 kWh, natomiast układ 20 kWp dostarczy 2 840 kWh.
• Pełny trudny okres (listopad – luty): Przynosi łącznie 17,4% energii w skali roku (943 kWh dla 5 kWp oraz 3 772 kWh dla 20 kWp).

Oto szczegółowy rozkład miesięcznej produkcji w przeliczeniu na kilowatogodziny:

Miesiąc	Instalacja 5 kWp (kWh)	Instalacja 20 kWp (kWh)
Styczeń	223	892
Luty	289	1 156
Marzec	485	1 940
Kwiecień	578	2 310
Maj	608	2 430
Czerwiec	623	2 492
Lipiec	649	2 596
Sierpień	615	2 460
Wrzesień	515	2 060
Październik	410	1 638
Listopad	233	932
Grudzień	198	792
Suma roczna	5 425	21 698

Zestawienie to dobitnie ukazuje sezonowość fotowoltaiki w naszej szerokości geograficznej. W lipcu ta sama mikroinstalacja produkować będzie około 3,3 razy więcej prądu niż w najtrudniejszym, grudniowym miesiącu. Wrzesień i październik pozostają jeszcze bardzo łaskawe, natomiast wyraźny spadek następuje w listopadzie i grudniu. Już jednak od lutego produkcja zaczyna się dynamicznie odbudowywać.

• Pisaliśmy też: Dlaczego chłodna wiosna bywa lepsza dla paneli fotowoltaicznych niż upalne lato?

Ciemne chmury vs. zimowe słońce. Dlaczego dzienny uzysk potrafi wahać się od 1 do 17 kWh?

Uśrednione dane miesięczne nie pokazują pełnej dynamiki codziennego użytkowania mikroinstalacji. Średnia dzienna produkcja w grudniu dla mikroinstalacji 5 kWp wynosi około 6,4 kWh (oraz 25,5 kWh dla 20 kWp), podczas gdy w lipcu średnia ta sięga aż 20,9 kWh na dobę (83,7 kWh dla 20 kWp).

W rzeczywistości zimą wahań pogodowych nie da się ująć w jedną sztywną normę. Na podstawie analiz danych godzinowych dla Polski środkowej (przykładowo z rejonu Warszawy) wyróżnić można skrajne scenariusze produkcyjne dla mikroinstalacji 5 kWp w grudniu.

Bardzo ciemny, mocno zachmurzony dzień: Produkcja wynosi poniżej 1 kWh na dobę (dla 20 kWp poniżej 4 kWh).

Dzień o typowym, średnim zachmurzeniu: Przynosi około 6,4 kWh energii (dla 20 kWp około 25,5 kWh).

Mroźny, pogodny i słoneczny dzień bez śniegu na modułach: Produkcja skacze do poziomu od 10 do nawet 17 kWh dziennie (dla 20 kWp jest to od 40 do 68 kWh).

Gruba, nieprzezroczysta pokrywa śnieżna na panelach: Uzysk spada do poziomu bliskiego zeru.

Nawet przy całkowitym zachmurzeniu moduły pracują dzięki promieniowaniu rozproszonemu, choć jego natężenie stanowi zaledwie ułamek energii docierającej przy bezchmurnym niebie.

• Zobacz też: Masz fotowoltaikę? Dlaczego więc płacisz wysokie rachunki. 8 przyczyn i rozwiązań problemu!

Zaskakujące dane ze Śląska - jak pogoda potrafi podwoić grudniowy wynik instalacji?

Teoretyczne symulacje PVGIS idealnie współgrają z praktycznymi pomiarami opublikowanymi przez koncern TAURON. Przeanalizowano rzeczywiste wyniki mikroinstalacji o mocy 3,36 kWp skierowanej na południe, zlokalizowanej w województwie śląskim, w latach 2018 i 2019.

Wnioski z tego zestawienia są niezwykle pouczające:

• W grudniu 2018 roku mikroinstalacja wyprodukowała zaledwie 47,2 kWh prądu.
• W grudniu 2019 roku ta sama mikroinstalacja wygenerowała aż 106,9 kWh – czyli ponad dwukrotnie więcej!

Co najważniejsze, mimo gigantycznej różnicy w samych grudniach, całoroczna produkcja w obu latach była niemal identyczna i wyniosła odpowiednio 3 388 kWh (w 2018 r.) oraz 3 437 kWh (w 2019 r.).

Dla właściciela domu płynie z tego lekcja eksploatacyjna: bardzo słaby wynik produkcyjny w konkretnym grudniu czy styczniu nie oznacza awarii falownika ani uszkodzenia paneli. Wynika on z naturalnej zmienności pogodowej w danym roku i należy go oceniać w perspektywie pełnych dwunastu miesięcy.

Krótki dzień, niskie słońce i długie cienie, czyli co wpływa na zimowe uzyski?

Oprócz samej ilości docierającego światła, na zimowe uzyski wpływa szereg specyficznych uwarunkowań geofizycznych i technicznych:

• Krótki czas operacyjny. W grudniu w południowej Polsce dzień trwa zaledwie około 8 godzin (w porównaniu do ponad 16 godzin latem). Efektywna produkcja koncentruje się w wąskim okienku czasowym – głównie między godzinami 10:00 a 14:00.
• Niski kąt padania promieni. Słońce zimą znajduje się nisko nad horyzontem. Z tego powodu dla maksymalizacji zimowego uzysku korzystniejszy byłby większy kąt nachylenia paneli (np. 50–60°), co ułatwia również zsuwanie się śniegu. Jednak uniwersalny kąt 30–40° pozostaje najbardziej opłacalnym kompromisem w skali całego roku.
• Wydłużone cienie. Niska pozycja słońca sprawia, że sąsiednie budynki, kominy, drzewa czy wzniesienia rzucają znacznie dłuższe cienie niż latem. Zacienienie nawet małego fragmentu modułu może ograniczyć pracę całego łańcucha (stringu), chyba że instalacja została wyposażona w optymalizatory mocy lub diody obejściowe.

Śnieg i lód na panelach. Czy należy odśnieżać fotowoltaikę i kiedy zsuwa się sam?

Zalegająca okrywa śnieżna to jeden z najczęstszych problemów zimowych. Cienka, przejrzysta warstwa szronu lub świeżego puchu przepuszcza część promieniowania i pozwala mikroinstalacji na podjęcie pracy. Jednak gruba, mokra i nieprzezroczysta czapa śnieżna potrafi odciąć dostęp światła niemal w 100%.

Czy w takiej sytuacji należy wchodzić na dach i odśnieżać moduły?

Eksperci i amerykański Departament Energii zdecydowanie ostrzegają przed samodzielnym odśnieżaniem. Wchodzenie na oblodzoną połaci dachu stwarza śmiertelne zagrożenie dla użytkownika, a niewłaściwe użycie szczotek, skrobaczek czy ostrych narzędzi może bezpowrotnie zarysować powłokę antyrefleksyjną lub doprowadzić do mikropęknięć w strukturze krzemu.

Nowoczesne moduły charakteryzują się wysoką wytrzymałością mechaniczną na obciążenia statyczne. W większości przypadków na dachach o nachyleniu powyżej 30° śnieg zsuwa się samoczynnie. Wystarczy lekki wzrost temperatury lub pierwsze promienie słońca, które nagrzewają ciemną powierzchnię ogniw, powodując powstanie warstewki wody i gwałtowne zsunięcie się całej czapy śnieżnej.