Солнечные панели в пасмурную погоду, зимой и в дождь – как работают и сколько энергии дают

Многие владельцы и будущие пользователи солнечных электростанций задаются вопросом: насколько эффективно работает система в пасмурную погоду, при дожде, тумане, а также зимой, когда солнца мало или вовсе не видно? Особенно этот вопрос актуален для климатических зон, где до 120 дней в году могут быть облачными – Киев, Чернигов, Харьков, Тернополь и большинство северных регионов Украины.

В данной статье мы разберем вопросы о том, что считается пасмурной погодой для солнечных электростанций, как работают солнечные панели зимой, в пасмурную погоду и под дождем, сколько энергии они вырабатывают и почему установка СЭС даже в климате с частыми осадками остается оправданной.

Что считается пасмурной погодой для солнечных панелей?

Для большинства людей пасмурная погода – это серое небо, отсутствие солнца и общее ощущение тусклости. Но для солнечных панелей это гораздо более техническое понятие, прямо связанное с уровнем солнечного излучения и предполагаемой эффективностью работы солнечной электростанции. Если яркое солнце в Украине дает около 1000 Вт/м², то при пасмурной погоде этот показатель может снижаться до 100-300 Вт/м2 – точное значение зависит от плотности облаков, времени суток и даже высоты солнца над горизонтом.

На практике, солнечные батареи продолжают работать даже в очень пасмурные дни. Да, электроэнергии они вырабатывают меньше, но полное отключение системы происходит крайне редко. Поэтому при проектировании СЭС, важно понимать: различия между типами неблагоприятной погоды, как они влияют на работу солнечной электростанции, а также учитывать данные факторы при расчете мощности.

1. Разница между облачной, пасмурной и туманной погодой:

• Облачная погода – небо покрыто облаками, но отдельные участки остаются с просветами, через которые пробиваются солнечные лучи. Уровень выработки солнечной электроэнергии в такую погоду может держаться на уровне 400-700 Вт/м2, что позволяет солнечным панелям выдавать до 70% номинальной мощности;
• Пасмурная погода – плотное облачное покрытие неба без просветов, часто наблюдается поздней осенью и зимой. Солнечный свет становится рассеянным, а солнечные батареи зимой или в дождь выдают 10-40% электроэнергии от пиковой производительности;
• Туманная погода – подразумевает наличие капель воды в воздухе, поглощающих и рассеивающих свет. Самый плохой вариант для солнечной электростанции, позволяющий панелям вырабатывать до 50-150 Вт/м².

2. Влияние плотности облаков на солнечное излучение является существенным – чем плотнее облака, тем меньше солнечной радиации достигает поверхности. Высококучевые облака способны отражать до 90% света, а перистые – всего 10-15%. Это важно учитывать при строительстве частных домов с СЭС в разных регионах Украины (где наблюдаются разный уровень облачности и плотности облаков в течение года);
3. Диффузный свет: что это и как панели его улавливают – даже когда солнце скрыто, на землю все равно попадает рассеянное (диффузное) излучение. Современные солнечные батареи эффективно улавливают и используют данный тип света. Особенно хорошо с диффузным светом справляются тонкопленочные солнечные панели и бифациальные модули, улавливающие свет даже от снега и влажной земли – зимой это особенно полезно.

При проектировании домов с СЭС важно учитывать все возможные варианты погодных и условий, а также климатические особенности региона: Николаев, Одесса, Львов, Черновцы, Днепр и пр.

Как работают солнечные панели без прямого солнца в пасмурную погоду и в дождь?

Вопреки распространенному мнению, что для генерации электроэнергии нужен только прямой солнечный свет, солнечные панели в дождь и при пасмурной погоде продолжают вырабатывать электроэнергию за счет улавливания рассеянного излучения. Чтобы понять, как это возможно, ниже разберемся в физике работы солнечных батарей и особенностях их функционирования при слабом освещении.

Основы: прямое vs рассеянное

Солнечные панели работают за счет фотогальванического эффекта, при котором фотоны света выбивают электроны из полупроводников слоя панели, создавая электрический ток. В идеальных условиях, при прямом солнечном свете – эффективность максимальна. Но даже без прямых лучей, при плохой погоде, панели продолжают производить электроэнергию.

Прямое излучение – свет, падающий на панель непосредственно от солнца. Рассеянное (диффузное) излучение – свет, отраженный и рассеянный в атмосфере, наблюдается в пасмурную или дождливую погоду. Он слабее прямого, но его достаточно, чтобы запустить генерацию.

Почему даже при тучах панели продолжают работать

 Модули солнечных панелей (батарей) чувствительны к широкому спектру света, включая рассеянные лучи. Поэтому в легкую облачность можно ожидать производительность до 50-70% от номинальной мощности, при плотной облачности – до 20-40%, в очень плохую погоду (сильный дождь или туман) – до 10-15%.

Что происходит на уровне фотоэлементов

На микроскопическом уровне для солнечной панели все равно, хорошая или плохая погода на улице: солнце, снег, дождь или туман. Для нее важен свет, который активирует фотоэлементы. Моно и поликристаллические солнечные панели отличаются по чувствительности к рассеянному свету, но все равно реагируют на него, запуская такие процессы:

• Фотоны рассеиваются и попадают под разными углами;
• Полупроводниковый слой поглощает достаточное количество света для запуска тока;
• При слабом свете напряжение на панели снижается, но СЭС продолжает работу.

Современные инверторы способны «ловить» даже минимальную генерацию и переводить ее в стабильную электроэнергию, особенно при наличии MPP-трекеров и оптимизаторов.

Работа солнечных батарей во время дождя

Солнечные батареи в дождь теряют до 80-90% мощности, но не полностью отключаются. Капли воды рассеивают свет и частично закрывают поверхность, особенно если вода задерживается на модуле. Однако современные антибликовые и гидрофобные покрытия снижают эффект затенения.

Кроме того, дождь смывает пыль и загрязнения, что в дальнейшем повышает эффективность панели – это особенно актуально для южных регионов Украины (Херсон, Николаев, Одесса), где наблюдается повышенное количество пыли в атмосфере в летний период.

Сколько энергии дают солнечные панели зимой и когда идет снег?

Солнечные батареи зимой работают не так как летом – это связано с температурой воздуха, продолжительностью светового дня, углом падения солнечных лучей и частой плохой погодой с осадками. В этот период объем вырабатываемого электричества солнечной электростанцией падает, а генерация может составлять до 10-40% от номинальной мощности. Поэтому современные СЭС проектируются с учетом сезонных колебаний.

Толстый слой снега может полностью перекрыть доступ света к фотоэлементам. При этом лежащий снег вокруг солнечной панели увеличивает количество диффузного излучения, что позволяет очищенной панели улавливать больше энергии, чем в погоду без снега.

Например, в январе (в среднем) выработка СЭС в Киеве составляет 25-35 кВт/ч на каждые 1000 Вт установленной мощности в месяц. Весной этот показатель увеличивается до 70-90 кВт/ч, а летом может доходить до 130-150 кВт/ч.

От чего зависит эффективность СЭС в облачные дни зимой?

Уровень эффективности солнечной батареи в зимний период может значительно варьироваться, с учетом природных и технических факторов. КПД солнечной электростанции прямо зависит от: характеристик используемых панелей, качества монтажа, ориентации и состояния оборудования. Кроме того, важнейшую роль играют региональные климатические условия – на юге Украины КПД всегда выше, на севере – ниже!

Далее рассмотрим основные факторы, влияющие на эффективность солнечных электростанций (панелей) в зимнюю погоду.

Какой тип солнечных панелей лучше в пасмурную погоду: моно vs поли vs тонкопленочные

При плохой погоде (облака, туман, дождь, зима) особенно важно знать, насколько хорошо солнечная электростанция улавливает рассеянный свет – это позволит выполнить установку солнечных панелей с максимальной эффективностью:

• Монокристаллические солнечные панели – наиболее эффективны при ярком свете, при слабом свете работают стабильно;
• Поликристаллические солнечные панели – менее чувствительны к слабому излучению в пасмурную и дождливую погоду;
• Тонкопленочные солнечные панели – проявляют лучшие качества в тумане, при пасмурной погоде и во время дождя. Но общий КПД у них ниже, чем у конкурентов.

В условиях установки СЭС после ремонта крыши, и на ограниченных участках, предпочтение отдают универсальным монокристаллическим солнечным электростанциям.

Угол установки и ориентация

Для максимальной генерации зимой и в пасмурную погоду стоит придерживаться таких параметров установки солнечных панелей: на 15-20° выше ширины региона (например, в Киеве 60-65°), южная ориентация панели, избегать затенения от деревьев, труб и других конструкций, особенно зимой при низком солнце.

Наличие загрязнений, снега, влаги

Загрязнения и снег способны полностью или частично блокировать доступ света к фотоэлементам, что критично зимой, когда выработка низкая, а у пользователя подключены энергоемкие приборы, например, электрические котлы.

Снег и наледь – главные враги зимой, даже 10% загрязненной поверхности снижает генерацию на 20-30%, дождь часто положительный фактор, очищающий солнечную электростанцию от пыли и налета.

Температура воздуха – неожиданно важный фактор

Солнечные панели зимой работают лучше по КПД, чем летом – это связано с температурной зависимостью полупроводников. При +25°С КПД номинальный, при снижении температуры на 10°С, он увеличивается на 2-5%, а зимой в мороз -10…-20°С, КПД может вырасти до 20-30%.

Низкая температура воздуха позволяет солнечной электростанции «догонять» часть потерь, вызванных коротким световым днем.

Реальные примеры и расчеты работы СЭС в плохую погоду

Для понимания реальной эффективности солнечных электростанций в условиях пасмурной погоды, дождя и зимы, рассмотрим конкретный пример. СЭС мощностью 10 кВт, установленная компанией W2Studio в пригороде Киева на крыше частного дома под углом 30° с южной ориентацией.

Даже в зимние месяцы СЭС достаточно эффективна, позволяет покрывать до 25-30% потребностей жильцов. Осенью и весной выработка достаточно высокая, даже в условиях дождливой погоды.

Как повысить и сохранить эффективность солнечных панелей зимой и в пасмурную погоду?

Даже при большом количестве пасмурных дней, наличии дождя, тумана и снега, есть эффективные методы оптимизации работы солнечных батарей. Некоторые из них применяются на стадии проектирования СЭС, другие – во время эксплуатации.

Ниже разберем самые эффективные способы, благодаря которым можно повысить эффективность работы солнечной электростанции в плохую погоду.

Установка MPP-трекеров и оптимизаторов

MPP-трекеры (Maximum Power Point Trackers) и оптимизаторы мощности позволяют каждой панели или группе солнечных панелей работать в наиболее выгодной точке производительности, независимо от состояния соседних модулей.

При дожде и тумане трекеры помогают панели адаптироваться к быстро меняющимся условиям освещенности, особенно эффективны при установке электростанции на сложных кровлях и при частичном затенении.

Использование bifacial-панелей

Специальные двусторонние солнечные панели, улавливающие свет не только с фронтальной стороны, но и отраженный снизу.

Особенно актуальны зимой, когда снег на улице действует как естественный отражатель. Даже в плохую погоду, при пасмурном небе, они продолжают поглощать диффузный свет снизу.

Чистка панелей и регулярное обслуживание

Учитывая, что снег, грязь, листья, пыль и мусор, которые накапливаются на поверхности солнечной панели, мешают проникновению света и снижают КПД солнечной электростанции – регулярная очистка СЭС является важным и эффективным способом поддержки системы в максимально продуктивном состоянии (в любую погоду).

Инверторы с высоким КПД при низкой генерации

В плохую погоду мощность солнечных панелей существенно падает, из-за чего некоторые инверторы с низким КПД не «чувствуют» низкую нагрузку и отключают систему. Использование инверторов с высоким КПД позволяет максимально эффективно преобразовывать даже минимальную энергию, поступающую от панелей при сильной облачности или тумане.

Нужно ли бояться туч? Мифы и реальность

Многие потенциальные владельцы солнечных электростанций сомневаются в эффективности технологии, опасаясь, что тучи, дожди и пасмурная погода будет препятствовать генерации и сделает систему глубоко убыточной. Давайте разберемся, таки ли это на самом деле.

«Панели не работают зимой/в туман» – правда или миф?

Солнечные панели зимой могут работать даже эффективнее чем в некоторые летние непогодные дни. Также при низких температурах снижается сопротивление полупроводников и возрастает их КПД. В тумане, панели продолжают улавливать диффузное излучение, пусть и с существенно меньшей мощностью чем при прямых солнечных лучах.

Почему генерация все равно идет – даже под дождем

Дождь – это не «выключатель» для СЭС. Хотя он и снижает интенсивность света, солнечные батареи продолжают работать за счет получения диффузного света, проходящего сквозь облака и капли. В среднем генерация падает на 10-30% от номинала.

Когда действительно нет выработки: крайние случаи

Полное прекращение генерации солнечной электростанцией происходит в исключительных случаях: при наличии густого снегового покрова (без обогрева или чистки панелей), в сильную метель с наледью и покрытием кристаллов, глубокой ночью.

Самые продвинутые модели СЭС могут работать и в этих условиях, даже при минимальном освещении от уличных фонарей или рассвета.

Вывод: стоит ли устанавливать СЭС в регионах с пасмурным климатом?

Несмотря на распространенные опасения, солнечные электростанции отлично работают во всех Украинских регионах, даже северных, где наблюдается до 100-120 пасмурных дней в году. Современные панели улавливают прямое и рассеянное солнечное излучение, что делает их эффективными для любых условий и времени года, особенно в гибридном исполнении с аккумуляторами для накопления электроэнергии.

При правильном проектировании, размещении оборудования, использовании MPP-трекеров, качественных инверторов и своевременном обслуживании, солнечная электростанция сможет эффективно работать на протяжении 25 и более лет!