Jaký je nejlepší sklon a orientace fotovoltaických panelů pro solární pole?

V České republice se budou opět stavět nové velké fotovoltaické parky. Důvody, proč tentokrát není potřeba mít obavu o úrodnou půdu nebo peníze daňových poplatníků najdete zde. Hlavním podnětem je evropská klimatická politika a její nástroje – rostoucí ceny emisních povolenek a podpora obnovitelných zdrojů prostřednictvím Modernizačního fondu.

Po desetiletí nečinnosti, kdy se v tuzemsku velké solární elektrárny vůbec nestavěly, se však fotovoltaické technologie posunuly a rozšířily. Máme tady nové způsoby instalace s orientací východ-západ, oboustranné panely, i výkonnější klasické panely.

Které z těchto technologií se nejlépe hodí na solární pole v podmínkách ČR? Jak se panely chovají na různých typech instalací? Jak je orientovat a pod jakým sklonem? V ČEZ se rozhodli na tyto otázky najít praktické odpovědi.

Vzali nejčastější typy dnes dostupných panelů, instalovali je v různých sklonech a orientacích a začali měřit jejich výrobu. Testovací instalace, „fotovoltaická laboratoř“ stojí v areálu tepelné elektrárny Ledvice v podhůří Krušných hor od března 2021. Jak přesně testovací instalace vypadá a jaké jsou první výsledky?

Fotovoltaická laboratoř ČEZ

Na testovací instalaci najdeme celkem 12 stanovišť, která můžeme rozdělit do tří skupin podle způsobu instalace:

1. Sklon na jih
2. „Stříšky“ východ-západ
3. Agrofotovoltaika – kolmá instalace oboustranných panelů východ-západ

Není zde žádný typ sledování či natáčení (trackování), všechno jsou pevné instalace.

Na stanovištích jsou instalovány tři typy fotovoltaických panelů.

1. Klasický panel s půlenými (half-cut) monokrystalickými křemíkovými články (dále jen monokrystal). Tento typ panelů vyniká vysokým výkonem při přímém osvitu.
2. Klasický panel s půlenými polykrystalickými křemíkovými články (dále jen polykrystal). Tento typ panelů má nižší výkon oproti monokrystalu, ale zase umí lépe využít rozptýlené světlo, je-li oblačno či zataženo.
3. Oboustranný panel (bifacial) s půlenými monokrystalickými křemíkovými články s poměrem účinnosti přední a zadní strany 100–70 % (dále jen oboustranné panely). Vylepšený monokrystal má při stejné velikosti větší plochu pro výrobu elektřiny – vyrábí elektřinu oběma svými stranami. Výkon zadní strany však velmi záleží na nastavení a umístění instalace.

Dvě technologie fotovoltaických panelů – vlevo panel s články z polykrystalického křemíku, vpravo články z monokrystalického křemíku, foto © TZB-info

Všechny panely jsou zhruba stejně velké, mají klasickou rámovou konstrukci a všechny obsahují moderní půlené články, které zvyšují výkon a omezují vliv stínění. Na první pohled tedy vypadají všechny panely téměř stejně, určitý rozdíl je patrný při pohledu na zadní stranu. Ta je u klasických panelů kryta tedlarovou fólií , oboustranné panely jsou z obou stran skleněné. Ve všech případech se jedná o běžně dostupné panely a „typické zástupce svého druhu“.

Na stanovištích typu sklon a stříška je instalováno vždy 16 panelů, každá řada agrofotovoltaiky se skládá z osmi panelů.

Klasická instalace – sklon na jih

Stanoviště typu „sklon“ zkouší různé typy a úhly panelů otočených na jih. Tradiční typ instalace by měl mezi ostatními vynikat největší roční výrobou z instalovaného výkonu. Testuje se sklon panelů 35 °, 25 ° a 15 ° vůči zemi. Ve sklonu 35 ° a 15 ° jsou instalované monokrystaly, sklon 25 ° je zde pak zastoupen hned třikrát – jednou s monokrystaly, podruhé s polykrystaly a potřetí s oboustrannými panely.

Zadní strana fotovoltaických panelů. Vlevo klasický panel krytý zezadu plastovou fólií, vpravo oboustranný panel krytý sklem z obou stran. foto © TZB-info

Vyšší sklon 35 ° přináší vyšší výrobu v zimě, čímž trochu dohání hendikep tohoto období v podobě krátkých dní a horšího počasí pro solární výrobu elektřiny. Zároveň strmější nastavení umožňuje lepší samočištění jak od sněhu, tak od dalších nečistot. Tento sklon má naprostá většina instalací z doby tzv. solárního boomu okolo roku 2010 a poskytuje nejvyšší výrobu v průběhu celého roku.

Na druhou stranu v zimě fotovoltaická elektrárna vyrobí jen nepatrný zlomek elektřiny v porovnání se zbytkem roku. Instalace s nižším sklonem 15 ° a 25 °, tak sice obětují část zimní výroby, ale zase si polepší v létě, kdy jsou celkově vhodnější podmínky pro výrobu elektřiny ze slunce. Další plusy a minusy k různým sklonům přináší jednotlivé typy panelů. Zároveň si panely s nižším sklonem méně stíní a vejde se jich na danou plochu víc.

Přečtěte si také Fotovoltaika Více k tématu

Stříšky východ – západ

Novější a stále populárnější typ instalace klade panely do stříšky v orientaci východ západ. Tento typ umožňuje na danou plochu instalovat vyšší výkon – na plocho umístěné panely si navzájem téměř nestíní a lze je tak klást těsně vedle sebe. Zároveň se u tohoto typu očekává rovnoměrnější výroba během dne s plošší polední špičkou. Stanoviště se stříškami jsou tu celkem čtyři – třikrát monokrystal pod sklonem 5 °, 10 ° a 15 ° a jednou polykrystal se sklonem 10 °. Oboustranný panel na tomto typu instalace zastoupen není, při takto nízkém sklonu a vysokém stínění plochy pod panely jeho použití nedává smysl.

Různé sklony a panely v instalaci typu „stříška“ východ-západ, foto © TZB-info

Vzhledem k tomu, že ve stříškách jsou panely s nižším sklonem oproti jiným instalacím, vstupuje zde při porovnání do hry kromě výkonu a profilu výroby i schopnost samočištění.

Agrofotovoltaika

Agrofotovoltaika, neboli instalace určená na obdělávanou půdu, využívá oboustranné panely instalované pod sklonem 90 ° v orientaci východ-západ. Její hlavní vlastností je schopnost rovnoměrného rozložení výroby během dne. Agrofotovoltaika se oproti ostatním instalacím vyznačuje „dvouhrbou“ křivkou výroby, která má jeden panel za den dvě špičky – jednu dopoledne a druhou odpoledne, přičemž v poledne nastává útlum.

Agrofotovoltaika neboli oboustranné panely instalované svisle. Přední strana panelů je zhruba o pětinu výkonnější, než strana zadní. foto © TZB-info

Zadní strana oboustranného panelu, foto © TZB-info

Takový profil výroby je přesně opačný ke dvěma zbylým typům instalace a hezky se s nimi doplňuje. Tuto konstrukci lze navíc použít i k dalším účelům nad rámec výroby elektřiny, například při stavbě plotů nebo protihlukových stěn, které jako bonus vyrábí elektřinu.

V Ledvicích najdeme celkem tři řady agrofotovoltaiky. Jedna je obrácena výkonnější stranou na východ, druhá na západ a třetí stojí lehce stranou od ostatních, aby se prověřil vliv vzájemného stínění jednotlivých řad.

Porovnání výroby jednotlivých instalací fotovoltaických panelů

Testovací elektrárna byla spuštěna v březnu, během naší červnové návštěvy tak za sebou měla 4 měsíce převážně jarního provozu. Uvedené výsledky tedy pocházejí z tohoto období, přičemž podle aktuálních informací letní měsíce pořadí výrazně neovlivnily.

Nejvíce elektřiny za uvedené období vyrobil oboustranný panel pod sklonem 25 ° orientovaný na jih. Oproti všem ostatním instalacím má toto stanoviště největší plochu pro výrobu elektřiny – počítá se přední i zadní strana panelů. Elektrárna stojí na betonu, takže je zde poměrně světlé podloží, světlejší, než například na trávě, což je vhodné pro výrobu elektřiny zadní stranou. Výroba oboustranného panelu je zde zhruba o 5 % vyšší než u stejně instalovaných u panelů jednostranných.

Milé překvapení u tohoto typu instalace nastalo u zimního provozu – během sněhové nadílky bylo stanoviště s oboustrannými panely první, ze kterého sjel sníh, samozřejmě kromě agrofotovoltaiky. Zadní strana oboustranného panelu totiž může vyrábět elektřinu, i když je přední strana zakrytá sněhem. Tím se panel začne zahřívat a sníh z něj sjede. Sněhová pokrývka v okolí navíc odráží více světla na zadní stranu a tím dále podporuje výrobu oboustranných panelů.

Porovnání různých instalací fotovoltaických panelů v areálu elektrárny Ledvice, foto © TZB-info

Druhé místo obsadily s velmi podobnou výrobou zbývající dva sklony 25 ° na jih, přičemž o něco lepších výsledků dosáhl překvapivě méně výkonný polykrystal. Je to dané umístěním instalace – v podhůří Krušných hor bývá častěji oblačno, k čemuž čas od času přispěje pára z přilehlé uhelné elektrárny. Výsledkem je časté rozptýlené světlo, které umí lépe využít panel z polykrystalického křemíku.

I čtvrtou a pátou příčku obsadily zbývající instalace typu sklon, 35 ° a 15 °.

Tím se dostáváme ke stříškám. Ty mají nižší výrobu, než instalace typu sklon. Není divu, je-li instalován stejný výkon, což je tento případ, má sklon obecně lepší podmínky pro výrobu elektřiny. Aby se karta obrátila ve prospěch stříšek, bylo by potřeba porovnávat výrobu z určité plochy.

I u stříšek se konalo překvapení – navzdory orientaci východ-západ je profil jejich výroby téměř totožný s výrobou panelů orientovaných na jih. Výkon je samozřejmě nižší, ale je zde stejná strmá polední špička. S vyšší rovnoměrností výroby tudíž tento typ instalace příliš nepomůže.

Druhá zajímavost byl nižší rozdíl mezi polykrystalickými a monokrystalickými panely – oproti sklonu na jih se zde výhoda polykrystalu ve využití rozptýleného světla tolik neprojevila. U stříšek tak vyrobí více elektřiny monokrystal.

Při nízkém sklonu fotovoltaických panelů se u dolního okraje rámu může zachytávat voda a nečistoty, foto © TZB-info

Další zjištění se týká samočištění – na panelech s nejplošším sklonem 5 ° zůstává voda a nečistoty, což by mohlo z dlouhodobého hlediska panel poškodit, mj. vlivem mrazu. Plošší sklon sice umožňuje lépe využít polední slunce, rozdíl ve výrobě oproti stříškám s vyšším sklonem není nijak zásadní, z praktických důvodů se tedy budou v praxi používat stříšky s vyšším úhlem vůči v zemi.

Nejméně elektřiny na instalovaný wattpeak ze všech stanovišť vyrobí agrofotovoltaika. Částečně na tom má podíl umístění testovací instalace, kde přímý osvit při východu slunce stíní železniční val a při západu budovy a Krušné hory. Na druhou stranu ani lepší lokace by nejspíš s výsledky nijak dramaticky nezamíchala. Stejně tak se významně neprojevilo rozdílné otočení aktivní strany oboustranných panelů na východ nebo na západ.

Agrofotovoltaika se tak bude využívat hlavně díky své schopnosti vyrábět elektřinu v jiný čas, než zbývající typy instalací. Druhá výhoda je víceúčelovost instalace, kdy lze pole s fotovoltaikou nadále zemědělsky využívat, případně panel plní funkci plotu nebo stěny. Výhody přináší také zimní provoz, kdy svislé panely nezapadají sněhem a naopak okolí pokryté bílou pokrývkou zvýší výrobu oboustranných panelů.

Vyhodnocení

Ideální je mít v rámci elektrárny nainstalováno vícero orientací nebo sklonů. Pokud je k dispozici hodně místa, vyplatí se stavět sklon 25 ° na jih s oboustrannými panely doplněný o agrofotovoltaiku, která pomůže lépe rozložit výrobu v průběhu dne. Je-li pozemek menší, nebo se staví na ploché střeše, jsou dobrou variantou stříšky, které umožní instalovat na danou plochu největší výkon. Stříšky mají podobnou výrobní křivku, jako sklon, i u nich je tedy vhodné instalaci doplňovat agrofotovoltaikou.