Czy zacienienie dachu przekreśla zakup paneli fotowoltaicznych?

Zacienienie dachu nie przekreśla automatycznie możliwości montażu instalacji fotowoltaicznej. O tym, czy inwestycja ma sens, decydują przede wszystkim: położenie i czas występowania cienia, jego wpływ na poszczególne moduły, przewidywana roczna strata energii oraz koszt zastosowania rozwiązań ograniczających te straty.

Cień komina może rano padać na dwa moduły, a po południu drzewo może zacieniać inną część dachu. Z kolei zimą nisko położone słońce może powodować znacznie dłuższe cienie niż latem. Dlatego samo stwierdzenie, że „na dachu jest cień”, niewiele mówi o rzeczywistym potencjale instalacji.

Ocena dachu powinna uwzględniać jego powierzchnię, orientację, nachylenie, przeszkody oraz zmienność zacienienia w ciągu dnia i roku. Departament Energii USA wskazuje zacienienie jako jeden z podstawowych czynników wpływających na potencjał dachu pod instalację PV.

W tym artykule wyjaśniamy, jak ocenić wpływ zacienienia, dlaczego częściowe zacienienie może powodować dodatkowe straty w instalacji oraz kiedy warto rozważyć osobne MPPT, optymalizatory lub mikrofalowniki. Pokazujemy również sytuacje, w których lepszym rozwiązaniem może być po prostu nieinstalowanie modułów na najbardziej zacienionej części dachu.

Cień nie zawsze oznacza to samo

Liczy się pora dnia i miejsce zacienienia

Cień komina padający na skraj dachu przez krótki czas rano nie musi mieć takiego samego wpływu na roczną produkcję jak cień obejmujący znaczną część instalacji w środku dnia.

Nie oznacza to jednak, że poranny cień można automatycznie zignorować. Jeżeli energia z fotowoltaiki ma być wykorzystywana przede wszystkim rano, znaczenie ma również godzinowy profil produkcji i zużycia.

Dlatego przy ocenie zacienienia warto analizować nie tylko procentową stratę, ale przede wszystkim:

• przewidywaną produkcję w kWh rocznie,

• straty w poszczególnych miesiącach,

• godziny, w których występuje zacienienie,

• liczbę i położenie zacienianych modułów,

• wpływ cienia na poszczególne stringi,

• sposób konfiguracji falownika.

Znaczenie ma również intensywność promieniowania w czasie występowania cienia. Strata części produkcji w okresie słabego nasłonecznienia może mieć mniejsze znaczenie energetyczne niż podobne zacienienie występujące przy wysokim poziomie promieniowania. Analizy NREL dotyczące zacienionych systemów PV uwzględniają właśnie czas oraz warunki promieniowania podczas występowania cienia.

Ta sama przeszkoda może inaczej działać latem i zimą

Wysokość słońca nad horyzontem zmienia się w ciągu roku. Zimą słońce znajduje się niżej, dlatego przeszkody takie jak kominy, drzewa czy sąsiednie budynki mogą rzucać znacznie dłuższe cienie.

Z tego powodu ocena zacienienia wykonana tylko w jednym dniu lub jednym miesiącu nie daje pełnego obrazu sytuacji.

Narzędzia takie jak PVGIS pozwalają analizować położenie słońca i profil horyzontu, co pomaga zrozumieć sezonowe zmiany warunków nasłonecznienia.

W praktyce należy więc sprawdzić nie tylko, czy cień występuje, ale również:

• kiedy pojawia się w ciągu dnia,

• jak długo pozostaje na modułach,

• jak zmienia się między latem a zimą,

• które moduły obejmuje,

• czy przeszkoda może zmienić swoje oddziaływanie w przyszłości.

Jest to szczególnie ważne w przypadku drzew. Rosnąca korona może z czasem zwiększyć powierzchnię zacienienia.

Dlaczego częściowe zacienienie może powodować dodatkowe straty?

Moduły połączone szeregowo tworzą string

W typowej instalacji kilka modułów PV jest połączonych szeregowo w string. Prąd płynący przez elementy połączone szeregowo jest wzajemnie powiązany, dlatego zacienienie jednego lub kilku modułów może powodować niedopasowanie ich parametrów pracy do pozostałych modułów w stringu.

Nie oznacza to jednak, że zacienienie jednego panelu automatycznie wyłącza wszystkie pozostałe moduły. To popularne uproszczenie jest nieprawidłowe.

Rzeczywisty efekt zależy m.in. od:

• stopnia i rodzaju zacienienia,

• konstrukcji modułu,

• rozmieszczenia diod bypass,

• konfiguracji stringów,

• charakterystyki falownika,

• zastosowanej architektury systemu.

Badania NREL pokazują, że wpływ zacienienia może być różny w zależności od konfiguracji systemu i rodzaju zastosowanych rozwiązań.

Jak działają diody bypass w panelach?

Współczesne moduły fotowoltaiczne wyposażane są w diody bypass, których zadaniem jest ograniczanie niekorzystnych skutków zacienienia określonych części modułu.

W uproszczeniu dioda bypass umożliwia ominięcie części obwodu modułu, gdy jej warunki pracy zostają istotnie ograniczone przez zacienienie. Dzięki temu można ograniczyć dodatkowe straty oraz ryzyko niekorzystnego obciążenia zacienionych ogniw.

Nie oznacza to jednak, że dioda bypass „usuwa” cień.

Jeżeli część modułu nie otrzymuje promieniowania słonecznego, nie można odzyskać energii, która nie została wygenerowana. Dioda może jedynie ograniczyć część strat wynikających z elektrycznego zachowania zacienionego modułu.

Warto też pamiętać, że liczba i sposób rozmieszczenia diod bypass zależą od konkretnego modelu modułu. Nie należy więc zakładać, że wszystkie współczesne panele mają identyczną konstrukcję.

Jak prawidłowo ocenić zacienienie dachu?

Oględziny dachu to dopiero początek

Pierwszym etapem powinno być określenie wszystkich potencjalnych przeszkód:

• kominów,

• lukarn,

• anten,

• masztów,

• drzew,

• sąsiednich budynków,

• elementów konstrukcyjnych,

• innych obiektów znajdujących się w pobliżu instalacji.

Następnie należy określić, kiedy i przez jak długi czas mogą one powodować zacienienie konkretnych modułów.

Przy prostym dachu podstawowa ocena może być stosunkowo łatwa. Przy skomplikowanej geometrii lub dużej liczbie przeszkód warto wykorzystać narzędzia analizujące położenie słońca oraz geometrię horyzontu.

Porównaj produkcję bez cienia i z cieniem

Jednym z najbardziej użytecznych elementów oferty instalatora powinno być porównanie wariantów produkcji.

Warto poprosić o:

Wariant A: prognozowaną produkcję bez uwzględnienia lokalnego zacienienia.

Wariant B: prognozowaną produkcję po uwzględnieniu konkretnych przeszkód.

Różnica między tymi wartościami pozwala określić, jaki wpływ ma zacienienie na przewidywany uzysk.

Jeszcze lepiej, jeżeli wykonawca przedstawi straty w podziale na miesiące. Dzięki temu można zobaczyć, czy zacienienie powoduje niewielką utratę energii w kilku godzinach zimą, czy też istotnie ogranicza produkcję przez dużą część roku.

Czy PVGIS uwzględnia cień od drzewa lub komina?

PVGIS jest bardzo przydatnym narzędziem do analizy potencjału energetycznego instalacji fotowoltaicznej dla określonej lokalizacji i parametrów systemu.

Trzeba jednak uważać na jedną istotną kwestię.

Automatyczny profil horyzontu wykorzystywany przez PVGIS uwzględnia ukształtowanie terenu, ale nie uwzględnia automatycznie bliskich przeszkód, takich jak drzewa czy budynki. Komisja Europejska wskazuje, że użytkownik może wprowadzić własny profil horyzontu.

Oznacza to, że wynik PVGIS dla konkretnego adresu nie powinien być automatycznie traktowany jako kompletna analiza zacienienia dachu.

Jeżeli w pobliżu znajduje się wysokie drzewo, komin sąsiedniego budynku lub inna przeszkoda, należy sprawdzić, czy została ona rzeczywiście uwzględniona w symulacji.

Co zrobić z zacienioną częścią dachu?

Najpierw rozważ zmianę rozmieszczenia modułów

Najprostszym sposobem ograniczenia strat może być nieinstalowanie panelu w najbardziej niekorzystnym miejscu.

Jeżeli jeden fragment dachu jest silnie zacieniany, czasami bardziej uzasadnione jest przesunięcie modułu na inną część połaci albo zmniejszenie liczby paneli niż instalowanie dodatkowej elektroniki tylko po to, aby wykorzystać każde dostępne miejsce.

Nie oznacza to jednak, że każdy zacieniony panel należy usunąć.

Najlepiej porównać dwa warianty:

• instalację z modułem w zacienionym miejscu,

• instalację bez tego modułu lub z modułem przeniesionym w inne miejsce.

Następnie należy porównać przewidywaną produkcję, koszt instalacji oraz wpływ danego modułu na konfigurację stringów.

Dopiero wtedy można ocenić, czy dodatkowy panel rzeczywiście wnosi wartość do całego systemu.

Czy osobne MPPT pomagają przy zacienieniu?

MPPT, czyli Maximum Power Point Tracking, odpowiada za wyszukiwanie punktu pracy, w którym podłączony do niego generator PV może osiągać możliwie wysoką moc.

Jeżeli instalacja ma dwie połacie o różnych orientacjach albo o różnym profilu zacienienia, korzystne może być przypisanie ich do niezależnych trackerów MPPT.

Przykładowo:

• południowa połać jest przez część dnia zacieniana przez komin,

• wschodnia połać ma zupełnie inny profil nasłonecznienia.

Jeżeli oba obszary zostaną prawidłowo rozdzielone na niezależne MPPT, można uniknąć niepotrzebnego łączenia modułów o odmiennych warunkach pracy.

Trzeba jednak sprawdzić dokumentację konkretnego falownika.

Dwa fizyczne wejścia DC nie zawsze oznaczają dwa niezależne MPPT.

Przed zakupem warto sprawdzić:

• liczbę niezależnych trackerów MPPT,

• zakres napięcia MPPT,

• maksymalny prąd wejściowy,

• maksymalny prąd zwarciowy,

• dopuszczalną liczbę stringów na tracker,

• projektowane napięcie i prąd każdego stringu.

Rozdzielenie stringów na niezależne MPPT nie usuwa strat wynikających z samego zacienienia. Może jednak ograniczyć dodatkowe straty wynikające z nieprawidłowego połączenia połaci o odmiennych warunkach pracy.

Kiedy warto rozważyć optymalizatory mocy?

Optymalizatory umożliwiają bardziej indywidualne zarządzanie pracą modułów w systemach zaprojektowanych do ich wykorzystania.

Mogą być przydatne, gdy:

• tylko część modułów jest okresowo zacieniana,

• dach ma skomplikowaną geometrię,

• moduły mają różne warunki pracy,

• nie da się sensownie podzielić instalacji na niezależne stringi i MPPT,

• istotne jest monitorowanie pracy poszczególnych modułów.

Nie oznacza to jednak, że optymalizator automatycznie zwiększy opłacalność instalacji.

Jest to dodatkowe urządzenie, które kosztuje, ma własne straty oraz zwiększa liczbę elementów instalacji wymagających potencjalnego serwisowania.

Dlatego zamiast pytać:

„Czy przy zacienieniu trzeba zastosować optymalizatory?”

lepiej zadać pytanie:

„Ile dodatkowej energii rocznie uzyskamy dzięki optymalizatorom w porównaniu z prawidłowo zaprojektowaną instalacją bez nich?”

Dopiero odpowiedź na to pytanie pozwala porównać dodatkowy uzysk z dodatkowym kosztem.

NREL wskazuje, że elektronika na poziomie modułu może ograniczać straty wynikające z niedopasowania, ale jednocześnie sama powoduje pewne straty energetyczne.

Mikrofalowniki a zacienienie

Mikrofalowniki zmieniają architekturę instalacji. Zamiast prowadzić energię wielu modułów do jednego falownika stringowego, przetwarzanie energii odbywa się przy poszczególnych modułach lub ich niewielkich grupach — zależnie od zastosowanego rozwiązania.

Może to być interesujące przy dachach:

• z wieloma małymi połaciami,

• o różnych kierunkach,

• o nieregularnym zacienieniu,

• na których klasyczne stringi są trudne do optymalnego zaprojektowania.

Nie należy jednak traktować mikrofalowników jako uniwersalnego sposobu na „pokonanie cienia”.

Co pokazują badania NREL?

W jednym z badań NREL z 2012 roku porównano dwa układy PV o mocy około 8 kW, wykorzystujące różne architektury systemu. W badanych warunkach wariant z mikrofalownikami uzyskał względem badanego układu z falownikiem centralnym około:

• 3,7% więcej energii przy lekkim zacienieniu,

• 7,8% więcej przy umiarkowanym zacienieniu,

• 12,3% więcej przy silnym zacienieniu.

Są to jednak wyniki konkretnego eksperymentu, przeprowadzonego w określonej konfiguracji urządzeń i warunkach. Nie można traktować ich jako uniwersalnych wartości dla każdej współczesnej instalacji.

To ważne rozróżnienie. Badanie pokazuje, że architektura systemu może mieć istotne znaczenie przy zacienieniu, ale nie pozwala powiedzieć, że mikrofalowniki zawsze zwiększą produkcję o określony procent.

Czy dodatkowa elektronika rzeczywiście się opłaca?

Załóżmy modelową instalację, która bez lokalnego zacienienia mogłaby wyprodukować 6000 kWh rocznie.

Symulacja pierwszego wariantu pokazuje:

• instalacja z pierwotnym rozmieszczeniem modułów: 5100 kWh/rok,

• instalacja po zmianie rozmieszczenia: 5500 kWh/rok,

• instalacja po zastosowaniu dodatkowej elektroniki: 5600 kWh/rok.

Na pierwszy rzut oka można powiedzieć, że dodatkowa elektronika „odzyskała” 500 kWh względem pierwotnego wariantu.

To jednak nie jest właściwe porównanie.

Po zmianie rozmieszczenia paneli uzysk wynosi już 5500 kWh. Dodatkowa elektronika zwiększa więc produkcję tylko o:

5600 − 5500 = 100 kWh/rok.

Jeżeli dodatkowe urządzenia kosztują przykładowo 3000 zł, trzeba sprawdzić, ile rzeczywiście warte jest dodatkowe 100 kWh rocznie w konkretnym systemie.

To pokazuje podstawową zasadę projektowania zacienionych instalacji:

nie należy porównywać drogiego rozwiązania z błędnie zaprojektowaną instalacją bazową.

Najpierw trzeba zoptymalizować rozmieszczenie modułów i konfigurację stringów, a dopiero później oceniać sens zastosowania dodatkowej elektroniki.

Nie istnieje uniwersalny próg zacienienia

Nie można uczciwie powiedzieć:

• „przy 5% zacienienia trzeba stosować optymalizatory”,

• „przy 10% zawsze wystarczy falownik z dwoma MPPT”,

• „przy 20% trzeba zastosować mikrofalowniki”.

Tego rodzaju uniwersalne progi nie uwzględniają rzeczywistej geometrii cienia, jego czasu trwania, konstrukcji modułów ani konfiguracji elektrycznej.

Dwa dachy z identyczną powierzchnią zacienienia mogą mieć zupełnie różne straty energii.

Tabela jest jedynie schematem postępowania. Ostateczna konfiguracja powinna wynikać z analizy konkretnego dachu, modułów i falownika.

A co z drzewami?

Drzewo może zmienić warunki pracy instalacji w kolejnych latach

W przypadku drzew trzeba uwzględnić nie tylko ich obecny wygląd.

Korona może się rozrastać, a sposób padania cienia może zmieniać się wraz z porami roku. Dlatego przy projektowaniu instalacji warto uwzględnić możliwy przyszły rozwój roślinności.

Nie należy jednak zakładać, że każde drzewo trzeba usunąć.

Możliwe rozwiązania to m.in.:

• zmiana rozmieszczenia modułów,

• wykorzystanie innej połaci,

• zmniejszenie liczby modułów,

• odpowiednia pielęgnacja drzewa, jeżeli jest dopuszczalna,

• zastosowanie odpowiedniej architektury elektrycznej.

Kwestie związane z usuwaniem lub pielęgnacją drzew podlegają określonym przepisom. Przed podjęciem takich działań należy sprawdzić aktualne wymagania administracyjne dotyczące konkretnej nieruchomości.

Kiedy zacienienie może rzeczywiście przekreślić instalację?

Silne zacienienie może sprawić, że instalacja PV na danej połaci będzie nieuzasadniona ekonomicznie.

Dotyczy to szczególnie sytuacji, gdy:

• większość dostępnej powierzchni jest zacieniona,

• cień występuje przez znaczną część wartościowych godzin produkcji,

• nie ma możliwości przesunięcia modułów,

• nie ma alternatywnej połaci,

• dodatkowa elektronika nie zapewnia uzysku uzasadniającego jej koszt.

Departament Energii USA wskazuje, że nadmierne zacienienie może sprawić, że dach nie będzie odpowiedni do instalacji fotowoltaicznej. Nie oznacza to jednak, że każdy dach z cieniem należy wykluczyć.

Dlatego przed rezygnacją z instalacji warto sprawdzić kilka wariantów:

1. pełną instalację z wykorzystaniem całej dostępnej powierzchni,

2. instalację bez najbardziej zacienionych modułów,

3. inne rozmieszczenie paneli,

4. inną konfigurację stringów i MPPT,

5. ewentualnie rozwiązanie z optymalizatorami lub mikrofalownikami.

Dopiero porównanie przewidywanej produkcji i kosztów pozwala ocenić, czy dana część dachu powinna zostać wykorzystana.

Jak powinna wyglądać oferta instalatora dla zacienionego dachu?

Dobra oferta nie powinna ograniczać się do zdania:

„Przy cieniu zastosujemy optymalizatory.”

Instalator powinien przedstawić przede wszystkim problem oraz przewidywany efekt zastosowanego rozwiązania.

Warto poprosić o:

• rozmieszczenie wszystkich modułów,

• zaznaczenie przeszkód powodujących cień,

• przewidywaną produkcję roczną,

• prognozę produkcji miesięcznej,

• uwzględnienie lokalnych przeszkód w symulacji,

• konfigurację stringów,

• przypisanie stringów do MPPT,

• koszt dodatkowych urządzeń,

• przewidywany dodatkowy uzysk dzięki tym urządzeniom.

Przy bardziej problematycznym dachu warto poprosić o co najmniej dwa warianty techniczne.

Przykładowo:

Wariant 1: mniej modułów, ale tylko na dobrze nasłonecznionej części dachu.

Wariant 2: większa liczba modułów wraz z dodatkową elektroniką.

Wtedy można porównać nie tylko moc instalacji w kWp, ale przede wszystkim koszt instalacji, roczną produkcję w kWh i dodatkowy koszt przypadający na dodatkowo uzyskaną energię.

Na co zwrócić uwagę przed podpisaniem umowy?

Jeżeli dach jest zacieniony, przed zakupem instalacji warto zadać instalatorowi kilka konkretnych pytań:

1. Ile kWh rocznie stracę z powodu zacienienia?

Nie tylko „ile procent”, ale przede wszystkim ile energii.

2. Które moduły są zacieniane?

Poproś o zaznaczenie ich na projekcie.

3. W jakich godzinach występuje cień?

To pozwala ocenić znaczenie zacienienia dla rzeczywistego profilu produkcji.

4. Czy cień został uwzględniony w symulacji?

Samo podanie adresu w programie nie oznacza jeszcze uwzględnienia pobliskiego drzewa czy komina.

5. Ile MPPT ma proponowany falownik?

Sprawdź, czy są to rzeczywiście niezależne trackery.

6. Dlaczego potrzebuję optymalizatorów?

Poproś o wyliczenie dodatkowego uzysku w kWh.

7. Co się stanie, jeśli usuniemy najbardziej zacienione moduły?

To często bardzo wartościowy wariant porównawczy.

8. Czy można inaczej skonfigurować stringi?

Czasami zmiana konfiguracji jest prostszym rozwiązaniem niż dokładanie elektroniki.

Podsumowanie

Zacienienie dachu nie oznacza automatycznie, że fotowoltaika nie ma sensu. O wiele ważniejsze od samego faktu występowania cienia jest to, gdzie, kiedy i przez jak długi czas pojawia się on na modułach.

W praktyce kolejność analizy powinna wyglądać następująco:

1. zidentyfikuj źródła zacienienia,

2. sprawdź ich wpływ w różnych porach dnia i roku,

3. zaprojektuj optymalne rozmieszczenie modułów,

4. prawidłowo skonfiguruj stringi i MPPT,

5. dopiero później rozważ optymalizatory lub mikrofalowniki,

6. porównaj dodatkowy uzysk z dodatkowym kosztem.

Czasami najlepszym rozwiązaniem będzie zastosowanie elektroniki modułowej. W innym przypadku wystarczy prawidłowy podział stringów. Jeszcze gdzie indziej najbardziej racjonalne będzie po prostu pozostawienie najbardziej zacienionej części dachu bez paneli.

Najważniejsze jest więc nie pytanie „czy na dachu jest cień?”, lecz:

„Ile energii rocznie tracę przez ten cień i ile kosztuje mnie ograniczenie tej straty?”

To właśnie na podstawie tych dwóch wartości należy oceniać sens zastosowania konkretnego rozwiązania technicznego.