Uzyskanie możliwie jak najbardziej efektywnej pracy paneli fotowoltaicznych jest ściśle związane z ich odpowiednim umiejscowieniem, zapewniającym jak najdłuższy czas padania na panele promieni słonecznych w ciągu roku. Chodzi o właściwą orientację instalacji względem stron świata oraz nachylenie paneli, którego optymalna wartość różni się dla poszczególnych rejonów Polski. Oczywiście, w realnych warunkach często mamy do czynienia z sytuacją odbiegającą od optymalnej. Czy jednak warto wówczas inwestować w dodatkowe konstrukcje na dachu?

Optimum, uzyski i przydatne narzędzia
Ogólnie przyjętą zasadą jest skierowanie instalacji na południe i nachylenie paneli fotowoltaicznych względem poziomu w granicach 30-40°. Większe zyski z kierunku południowego są powiązanie z drogą słońca po horyzoncie (rys. 1), które znajduje się na północy zaledwie przez kilka godzin w ciągu letnich dni.
Co jednak z przypadkami, w których nie ma możliwości, by na dachu ustawić w odpowiedni sposób instalację lub inwestor ma dach o nachyleniu 15° lub nawet 5°? Czy w takich wariantach instalacja fotowoltaiczna nie będzie miała racji bytu? Czy powinno się wtedy zainwestować w konstrukcję dachową, która zwiększy kąt montażu paneli? – Podstawą udzielenia odpowiedzi na te pytania jest oszacowanie, jakie straty względem optymalnego ustawienia paneli wystąpią w danym przypadku oraz przeanalizowanie, czy dodatkowe nakłady inwestycyjne związane z optymalizacją ustawienia paneli przyniosą wymierne korzyści w postaci znacznego uzysku energii elektrycznej.
!Podczas doboru instalacji fotowoltaicznej projektanci przyjmują, że przy prawidłowym jej umiejscowieniu, tzn. skierowaniu na południe, nachyleniu paneli pod kątem +/-30°, braku zacienienia przez czynniki zewnętrzne, w ciągu roku z 1 kWp klient powinien uzyskać około 950 kWh. Takie założenie jest znacznie bezpieczniejsze niż również często praktykowane przyjęcie uzysku na poziomie 1000 kWh z 1 kWp – w tym przypadku klient może być negatywnie zaskoczony, gdy po roku pracy instalacji nie zobaczy spodziewanej wartości.

Do dokładnej analizy uzysku w zależności od umiejscowienia instalacji bardzo przydatna będzie baza PVGIS (z ang. Photovoltaic Geographical Information System). Narzędzie to jest dostępne w języku angielskim na oficjalnej stronie Komisji Europejskiej: https://ec.europa.eu/jrc/en/pvgis. Na jego podstawie można przeanalizować, jakie będzie optymalne ustawienie paneli w planowanej lokalizacji oraz jakie zyski przyniosłaby ewentualna dodatkowa konstrukcja zwiększająca nachylenie dachu. Analizy w dalszej części artykułu będą bazować właśnie na danych z PVGIS.

Optymalne usytuowanie a szerokość geograficzna
Jak wiemy, nachylenie panela fotowoltaicznego bezpośrednio wpływa na ilość promieniowania, które będzie padać na niego w ciągu roku. Padające na panel promieniowanie to suma składowych:

• promieniowania bezpośredniego,
• promieniowania rozproszonego,
• promieniowania odbitego od gruntu i innych obiektów. Największy udział ma tutaj promieniowanie bezpośrednie. Ogniwa najefektywniej je wykorzystują, jeżeli kąt padania promieni słonecznych jest równy 90°. Taki kąt występuje tylko przez względnie krótki czas, aczkolwiek można zbliżyć się do najlepszego wykorzystania danych warunków przez zamontowanie paneli w możliwie najkorzystniejszym usytuowaniu, które będzie się jednak różnić w zależności od szerokości geograficznej. 
  

Zacznijmy od północy Polski i weźmy za przykład Gdynię oraz instalację o mocy 1 kWp, zamontowaną na dachu, skierowaną dokładnie na południe (do wyboru jest również opcja konstrukcji wolno stojącej, dla której produkcja energii elektrycznej będzie większa, ze względu na lepszą wentylację i w konsekwencji niższą temperaturę paneli). Na podstawie wspomnianej wcześniej bazy danych PVGIS, optymalnym kątem nachylenia dla takiej instalacji będzie 40° – przy takim jej usytuowaniu można uzyskać 972 kWh energii elektrycznej w ciągu roku pracy instalacji (rys. 2). Kierując się na południe, np. w stronę Łodzi, uzyskamy nieco inne wartości. Dla Łodzi optymalny kąt nachylenia paneli PV wynosi 39°, a szacowana produkcja w tej lokalizacji z instalacji fotowoltaicznej wzrasta do 998,5 kWh. W przypadku Krakowa optymalny kąt nachylenia zmniejsza się o kolejny stopnień, a produkcja rośnie do 1006 kWh/rok. Zmniejszający się optymalny kąt nachylenia paneli i rosnący uzysk z instalacji fotowoltaicznej są związane z kątem padania promieni słonecznych na dany teren oraz liczbą godzin słonecznych w ciągu roku. Jeżeli wyjdziemy daleko poza granice Polski, to np. dla Kapsztadu znajdującego się w RPA, optymalnym kątem nachylenia będzie 0°, przy którym szacowany uzysk w ciągu roku wyniesie 1486 kWh.
! Oczywiście, w granicach naszego kraju zmiany optymalnego kąta nachylenia paneli PV oraz uzysku z instalacji nie są aż tak znaczne (około 3,5% w skali analizowanych miast), jednak świadomość tych różnic oraz ich uwzględnienie pozwalają na bardziej precyzyjne obliczenia niż zakładanie dla całego kraju stałej wartości.

Instalacja na gruncie lub na dachu płaskim
Zmienność kąta padania promieni słonecznych w zależności od szerokości geograficznej powinna być wzięta pod uwagę przy planowaniu rozmieszczenia instalacji fotowoltaicznej na gruncie lub na płaskim dachu w wielu rzędach. Jest to związane z długością cienia, jaki będzie rzucał rząd paneli. Aby nie dopuścić do niepotrzebnego zacienienia, należy dobrze wyliczyć odstępy między kolejnymi rzędami. W tym celu niezbędne jest określenie kąta padania promieni słońca dla 21 grudnia jako najkrótszego dnia w roku. W Polsce kąt ten, w zależności od szerokości geograficznej, leży pomiędzy 11,5 a 19,5°. I tak np. między Gdynią a Krakowem wymagana odległość między rzędami paneli może wzrosnąć o ponad 1 m. Odległość między poszczególnymi rzędami paneli uwarunkowana jest kilkoma czynnikami i jej prawidłowy dobór wynika z poniższej zależności (rys. 3):
gdzie:
z – odstęp między rzędami paneli PV,
h – wysokość paneli PV,
α – kąt nachylenia paneli PV,
β – kąt padania promieni słonecznych (pozycja słońca).
W związku z wymaganymi odległościami między kolejnymi rzędami paneli, w przypadku mniejszych instalacji, w celu zaoszczędzenia miejsca, często wykonuje się jedną konstrukcję składającą się z paneli ułożonych w jednej płaszczyźnie (rys. 4).

Wpływ odchylenia instalacji od kąta optymalnego Kolejną kwestią jest wpływ odchylenia instalacji od optymalnego kąta nachylenia. Pozostając przy przykładzie Gdyni, przeanalizujmy tabelę 1, w której zostały przedstawione wartości produkowanej energii elektrycznej przez instalację o mocy 1 kWp, a także strata produkcji energii względem kąta optymalnego (40°) w kWh/rok oraz w procentach. Jak można zauważyć, w przypadku różnicy 20° względem kąta optymalnego strata nie przekracza 4,5%, natomiast przy różnicy większej niż 30° strata jest już dwucyfrowa.

Czy dodatkowa konstrukcja na dachu się opłaca? Przy projektowaniu dachu domu, na którym docelowo ma być zainstalowana fotowoltaika, jeżeli nie ma przeszkód konstrukcyjnych, można jak najbardziej zbliżyć się do kąta optymalnego, jednak – o czym warto pamiętać – zmiana poprawiająca odchylenie instalacji nawet o kilkanaście stopni nie będzie miała istotnego wpływu na ostateczny efekt ekonomiczny.

Inwestorzy często zastanawiają się, czy warto optymalizować dach pod względem nachylenia jeszcze przed montażem instalacji fotowoltaicznej. Odpowiedzią na ich pytanie może być właśnie przedstawienie takiej krótkiej analizy jak w tabeli 1. Nawet w przypadku stosunkowo często spotykanych w Polsce dachów o kącie nachylenia 15°, po zamontowaniu dodatkowej konstrukcji, która zwiększy nachylenie do 40°, użytkownik uzyska w ciągu roku dodatkowo około 66 kWh. Przy założeniu, że moc instalacji fotowoltaicznej wynosi 5 kWp, łączny dodatkowy uzysk z tej instalacji wyniesie 330 kWh/rok. Nawet przy bardzo optymistycznym wariancie, w którym użytkownik zużyłby na bieżąco połowę tej dodatkowo wyprodukowanej energii elektrycznej (165 kWh), a drugą jej połowę oddał do sieci i odebrał później jako prosument według współczynnika przeliczeniowego 0,8 (czyli 132 kWh), zyskałby na tym około 160 zł (przy założeniu oszczędności 54 gr na 1 kWh). Biorąc pod uwagę koszt dodatkowej konstrukcji dachowej oraz koszt opinii wytrzymałościowej dachu (standardowo nie przewiduje się sił podrywających dach, które będą występować w przypadku montażu konstrukcji odchylonej od płaszczyzny dachu powodując efekt żagla) w skali instalacji domowych, konstrukcja ta nie będzie miała racji bytu z punktu widzenia korzyści ekonomicznych. Obliczenia nie są skomplikowane i warto je przedstawić klientowi, żeby mógł sam jeszcze raz przeanalizować opłacalność potencjalnej inwestycji we wspomnianą konstrukcję. Co do kąta nachylenia – warto jeszcze pamiętać, że ze względu na warunki atmosferyczne (jak opady deszczu, śniegu etc.) dla Polski zakłada się jego minimalną wartość równą 3°. Jeżeli nachylenie to nie zostałoby zachowane, to woda, która nie będzie miała możliwości spłynięcia i nie odparuje, będzie wnikać w mikroszczeliny na powierzchni paneli fotowoltaicznych, a tam może zamarzać i uszkadzać powierzchnię paneli.

O czym warto pamiętać?
Podsumowując naszą analizę dotyczącą usytuowania paneli i potencjalnych uzysków energii, warto podkreślić, że:

• zmienność optymalnego kąta nachylenia instalacji oraz zwiększenie zysków z 1 kWp w skali Polski jest zauważalne, w związku z czym wskazane jest doprecyzowywanie obliczeń przy wykorzystaniu danych udostępnionych przez bazy takie jak PVGIS;
• szerokość geograficzna może mieć istotny wpływ przy planowaniu większych farm fotowoltaicznych ze względu na wzajemne zacienienie kolejnych rzędów paneli;
• kąt nachylenia modułów wywiera również widoczny wpływ na roczne zyski energii, jednak w przypadku małych instalacji domowych inwestycja w konstrukcję dachową, która zwiększy ten kąt, bardzo często nie będzie uzasadniona ekonomicznie ze względu na zaledwie kilkuprocentowe zyski w ciągu roku. 

Artykuł stanowi pierwszą część wznowionego na łamach „Polskiego Instalatora” cyklu „Warsztaty instalatora OZE” w zakresie inwestycji w instalacje fotowoltaiczne, szczególnie mikro- i małe instalacje. Korzystając z wiedzy ekspertów z działu Wsparcia Technicznego i Szkoleń firmy Viessmann, przygotowujemy kolejne odcinki tego cyklu, poświęcone np. doborowi inwertera, parametrom paneli PV czy współpracy instalacji z pompą ciepła. Znajdzie się w nich wiele cennych i praktycznych wskazówek dla wykonawców, które zarazem mogą służyć jako argumenty w rozmowach z inwestorami.