Багато власників і майбутніх користувачів сонячних електростанцій задаються питанням: наскільки ефективно працює система в похмуру погоду, при дощі, тумані, а також взимку, коли сонця мало або зовсім не видно? Особливо це питання актуальне для кліматичних зон, де до 120 днів на рік можуть бути хмарними – Київ, Чернігів, Харків, Тернопіль та більшість північних регіонів України.
У цій статті ми розберемо питання про те, що вважається похмурою погодою для сонячних електростанцій, як працюють
сонячні панелі взимку, в похмуру погоду та під дощем, скільки енергії вони виробляють і чому установка СЕС навіть у кліматі з частими опадами залишається виправданою.
Що вважається хмарною погодою для сонячних панелей?
Для більшості людей похмура погода – це сіре небо, відсутність сонця та відчуття тьмяності. Але для сонячних панелей це набагато більш технічне поняття, прямо пов’язане з рівнем сонячного випромінювання та передбачуваною ефективністю роботи сонячної електростанції. Якщо яскраве сонце в Україні дає близько 1000 Вт/м2, то за похмурої погоди цей показник може знижуватися до 100-300 Вт/м2 – точне значення залежить від щільності хмар, часу доби та навіть висоти сонця над горизонтом.
На практиці сонячні батареї продовжують працювати навіть у дуже похмурі дні. Так, електроенергії вони виробляють менше, але повне відключення системи відбувається вкрай рідко. Тому при
проектуванні СЕС важливо розуміти: відмінності між типами несприятливої погоди, як вони впливають на роботу сонячної електростанції, а також враховувати дані фактори при розрахунку потужності.
- Різниця між хмарною, похмурою та туманною погодою:
- Хмарна погода – небо вкрите хмарами, але окремі ділянки залишаються з просвітами, через які пробиваються сонячні промені. Рівень виробітку сонячної електроенергії в таку погоду може триматися на рівні 400-700 Вт/м2, що дозволяє сонячним панелям видавати до 70% номінальної потужності;
- Похмура погода – щільне хмарне покриття неба без просвітів, часто спостерігається пізно восени та взимку. Сонячне світло стає розсіяним, а сонячні батареї взимку чи дощ видають 10-40% електроенергії від пікової продуктивності;
- Туманна погода – має на увазі наявність крапель води в повітрі, що поглинають та розсіюють світло. Найгірший варіант для сонячної електростанції, що дозволяє панелям виробляти до 50-150 Вт/м2.
- Вплив щільності хмар на сонячне випромінювання є суттєвим – що щільніше хмари, то менше сонячної радіації досягає поверхні. Високо-купчасті хмари здатні відбивати до 90% світла, а перисті – всього 10-15%. Це важливо враховувати під час будівництва приватних будинків із СЕС у різних регіонах України (де спостерігаються різний рівень хмарності та щільності хмар протягом року);
- Дифузне світло: що це і як панелі його вловлюють – навіть коли сонце приховано, на землю все одно потрапляє розсіяне (дифузне) випромінювання. Сучасні сонячні батареї ефективно вловлюють і використовують цей тип світла. Особливо добре з дифузним світлом справляються тонкоплівкові сонячні панелі та біфаціальні модулі, що вловлюють світло навіть від снігу та вологої землі – взимку це особливо корисно.
При
проектуванні будинків із СЕС важливо враховувати всі можливі варіанти погодних та умов, а також кліматичні особливості регіону: Миколаїв, Одеса, Львів, Чернівці, Дніпро та ін.
Як працюють сонячні панелі без прямого сонця в похмуру погоду та дощ?
Всупереч поширеній думці, що для генерації електроенергії потрібне лише пряме сонячне світло, сонячні панелі в дощ і при похмурій погоді продовжують виробляти електроенергію за рахунок уловлювання розсіяного випромінювання. Щоб зрозуміти, як це можливо, нижче розберемося у фізиці роботи сонячних батарей та особливостях їхнього функціонування при слабкому освітленні.
Основи: пряме vs розсіяне
Сонячні панелі працюють за рахунок фотогальванічного ефекту, коли фотони світла вибивають електрони з напівпровідників шару панелі, створюючи електричний струм. В ідеальних умовах, за прямого сонячного світла – ефективність максимальна. Але навіть без прямих променів, за поганої погоди, панелі продовжують виробляти електроенергію.
Пряме випромінювання – світло, що падає на панель безпосередньо від сонця. Розсіяне (дифузне) випромінювання – світло, відбите і розсіяне в атмосфері, спостерігається в похмуру або дощову погоду. Він слабший за прямий, але його достатньо, щоб запустити генерацію.
Чому навіть при хмарах панелі продовжують працювати
Модулі сонячних панелей (батарей) чутливі до широкого спектру світла, включаючи розсіяні промені. Тому в легку хмарність очікується продуктивність до 50-70% від номінальної потужності, за щільної хмарності – до 20-40%, у дуже погану погоду (сильний дощ чи туман) – до 10-15%.
Що відбувається на рівні фотоелементів
На мікроскопічному рівні для сонячної панелі все одно, хороша чи погана погода на вулиці: сонце, сніг, дощ чи туман. Для неї важливим є світло, яке активує фотоелементи. Моно і полікристалічні сонячні панелі відрізняються чутливістю до розсіяного світла, але все одно реагують на нього, запускаючи такі процеси:
- Фотони розсіюються та потрапляють під різними кутами;
- Напівпровідниковий шар поглинає достатню кількість світла для запуску струму;
- При слабкому світлі напруга панелі знижується, але СЕС продовжує роботу.
Сучасні інвертори здатні «ловити» навіть мінімальну генерацію та переводити її у стабільну електроенергію, особливо за наявності MPP-трекерів та оптимізаторів.
Робота сонячних батарей під час дощу
Сонячні батареї під час дощу втрачають до 80-90% потужності, але не повністю відключаються. Краплі води розсіюють світло та частково закривають поверхню, особливо якщо вода затримується на модулі. Однак сучасні покриття антивідблиску та гідрофобні покриття знижують ефект затінення.
Крім того, дощ змиває пил та забруднення, що надалі підвищує ефективність панелі – це особливо актуально для південних регіонів України (Херсон, Миколаїв, Одеса), де спостерігається підвищена кількість пилу в атмосфері у літній період.
Скільки енергії дають сонячні панелі взимку та коли йде сніг?
Сонячні батареї взимку працюють не так, як влітку – це пов’язано з температурою повітря, тривалістю світлового дня, кутом падіння сонячних променів та частою поганою погодою з опадами. У цей період обсяг виробленої електрики сонячною електростанцією падає, а генерація може становити до 10-40% номінальної потужності. Тому сучасні СЕС проектуються з урахуванням сезонних особливостей.
Товстий шар снігу може повністю перекрити доступ світла до фотоелементів. При цьому сніг навколо сонячної панелі, що лежить, збільшує кількість дифузного випромінювання, що дозволяє очищеній панелі вловлювати більше енергії, ніж у погоду без снігу.
Наприклад, у січні (у середньому) вироблення СЕС у Києві становить 25-35 кВт/год на кожні 1000 Вт встановленої потужності на місяць. Навесні цей показник збільшується до 70-90 кВт/год, а влітку може сягати 130-150 кВт/год.
Від чого залежить ефективність СЕС у хмарні дні взимку?
Рівень ефективності сонячної батареї в зимовий період може значно змінюватись, з урахуванням природних і технічних факторів.
Далі розглянемо основні чинники, що впливають на ефективність сонячних електростанцій (панелей) в зимову погоду.
Який тип сонячних панелей краще в похмуру погоду: моно vs полі vs тонкоплівкові
За поганої погоди (хмари, туман, дощ, зима) особливо важливо знати, наскільки добре сонячна електростанція вловлює розсіяне світло – це дозволить виконати встановлення сонячних панелей з максимальною ефективністю:
- Монокристалічні сонячні панелі – найефективніші при яскравому світлі, при слабкому світлі працюють стабільно;
- Полікристалічні сонячні панелі – менш чутливі до слабкого випромінювання в похмуру та дощову погоду;
- Тонкоплівкові сонячні панелі – виявляють найкращі якості в тумані, при похмурій погоді та під час дощу. Але загальний ККД у них нижчий, ніж у конкурентів.
В умовах встановлення СЕС після ремонту даху, і на обмежених ділянках, перевагу віддають універсальним монокристалічним сонячним електростанціям.
Кут встановлення та орієнтація
Для максимальної генерації взимку та в похмуру погоду варто дотримуватися таких параметрів встановлення сонячних панелей: на 15-20° вище за ширину регіону (наприклад, у Києві 60-65°), південна орієнтація панелі, уникати затінення від дерев, труб та інших конструкцій, особливо взимку при низькому сонці.
Наявність забруднень, снігу, вологи
Забруднення та сніг здатні повністю або частково блокувати доступ світла до фотоелементів, що критично взимку, коли виробіток низький, а у користувача підключені енергоємні прилади, наприклад,
електричні котли.
Сніг та лід – головні вороги взимку, навіть 10% забрудненої поверхні знижує генерацію на 20-30%, дощ часто позитивний фактор, що очищає сонячну електростанцію від пилу та нальоту.
Температура повітря – несподівано важливий фактор
Сонячні панелі взимку працюють краще за ККД, ніж улітку – це пов’язано із температурною залежністю напівпровідників. При +25°С ККД номінальний, при зниженні температури на 10°С, він збільшується на 2-5%, а взимку в мороз -10…-20°С, ККД може зрости до 20-30%.
Низька температура повітря дозволяє сонячній електростанції «наздоганяти» частину втрат, спричинених коротким світловим днем.
Реальні приклади та розрахунки роботи СЕС у погану погоду
Для розуміння реальної ефективності сонячних електростанцій в умовах похмурої погоди, дощу та зими розглянемо конкретний приклад. СЕС потужністю 10 кВт, встановлена компанією
W2Studio у передмісті Києва на даху приватного будинку під кутом 30° з південною орієнтацією.
| Місяць |
Середнє вироблення кВт |
Умови (усереднено за статистикою погоди) |
| Січень |
220 |
Короткий день, сніг, хмарність |
| Лютий |
330 |
Мінлива хмарність -10…0°С |
| Березень |
550 |
Більше сонця, рання весна |
| Квітень |
750 |
Яскраве сонце, м’який клімат |
| Липень |
1450 |
Пік генерації, довгий день, максимум світла |
| Жовтень |
650 |
Зниження світлового дня, дощі |
| Листопад |
320 |
Часті тумани, похмура погода |
| Грудень |
180 |
Короткий день, сніг, хмари, дощ |
Навіть у зимові місяці СЕС досить ефективна, що дозволяє покривати до 25-30% потреб мешканців. Восени та навесні вироблення досить високе, навіть в умовах дощової погоди.
Як підвищити та зберегти ефективність сонячних панелей взимку та в похмуру погоду?
Навіть за великої кількості похмурих днів, наявності дощу, туману та снігу є ефективні методи оптимізації роботи сонячних батарей. Деякі з них застосовуються на стадії проектування СЕС, інші – під час експлуатації.
Нижче розберемо найефективніші способи, завдяки яким можна підвищити ефективність роботи сонячної електростанції у погану погоду.
Встановлення MPP-трекерів та оптимізаторів
MPP-трекери (Maximum Power Point Trackers) та оптимізатори потужності дозволяють кожній панелі або групі сонячних панелей працювати у найбільш вигідній точці продуктивності, незалежно від стану сусідніх модулів.
При дощу і тумані трекери допомагають панелі адаптуватися до умов освітленості, що швидко змінюються, особливо ефективні при встановленні електростанції на складних покрівлях і при частковому затіненні.
Використання bifacial-панелей
Спеціальні двосторонні сонячні панелі, що вловлюють світло не тільки з фронтального боку, а й відбите знизу.
Особливо актуальні взимку, коли сніг на вулиці діє як природний відбивач. Навіть у погану погоду, при похмурому небі вони продовжують поглинати дифузне світло знизу.
Чистка панелей та регулярне обслуговування
Враховуючи, що сніг, бруд, листя, пил та сміття, які накопичуються на поверхні сонячної панелі, заважають проникненню світла та знижують ККД сонячної електростанції – регулярне очищення СЕС є важливим та ефективним способом підтримки системи у максимально продуктивному стані (за будь-якої погоди).
Інвертори з високим ККД при низькій генерації
У погану погоду потужність сонячних панелей істотно падає, через що деякі інвертори з низьким ККД не “відчувають” низьке навантаження і відключають систему. Використання інверторів з високим ККД дозволяє максимально ефективно перетворювати навіть мінімальну енергію, що надходить від панелей при сильній хмарності або тумані.
Чи треба боятися хмар? Міфи та реальність
Багато потенційних власників сонячних електростанцій сумніваються в ефективності технології, побоюючись, що хмари, дощі та похмура погода перешкоджатимуть генерації та зробить систему глибоко збитковою. Давайте розберемося, чи це насправді.
«Панелі не працюють взимку/в туман» – правда чи міф?
Сонячні панелі взимку можуть працювати навіть ефективніше, ніж у деякі літні непогодні дні. Також за низьких температур знижується опір напівпровідників і зростає їх ККД. У тумані, панелі продовжують вловлювати дифузне випромінювання, хай і з значно меншою потужністю ніж при прямих сонячних променях.
Чому генерація все одно йде – навіть під дощем
Дощ – це не вимикач для СЕС. Хоча він і знижує інтенсивність світла, сонячні батареї продовжують працювати за рахунок отримання дифузного світла, що проходить крізь хмари та краплі. У середньому генерація знижується на 10-30% від номіналу.
Коли дійсно немає вироблення: крайні випадки
Повне припинення генерації сонячної електростанцією відбувається у виняткових випадках: за наявності густого снігового покриву (без обігріву чи чищення панелей), у сильну хуртовину з кригою та покриттям кристалів, глибокої ночі.
Найпросунутіші моделі СЕС можуть працювати і в цих умовах, навіть за мінімального освітлення від вуличних ліхтарів або світанку.
Висновок: чи варто встановлювати СЕС у регіонах з похмурим кліматом?
Незважаючи на поширені побоювання, сонячні електростанції чудово працюють у всіх українських регіонах, навіть північних, де спостерігається до 100-120 похмурих днів на рік. Сучасні панелі вловлюють пряме та розсіяне сонячне випромінювання, що робить їх ефективними для будь-яких умов та пори року, особливо у гібридному виконанні з акумуляторами для накопичення електроенергії.
При правильному проектуванні, розміщенні обладнання, використанні MPP-трекерів, якісних інверторів та своєчасному обслуговуванні сонячна електростанція зможе ефективно працювати протягом 25 і більше років!
