Porównanie wydajności doświadczalnej paneli stałych i podobszarów z jednym osią w dużej, zewnętrznej elektrowni fotowoltaicznej

Dlaczego to badanie słoneczne ma znaczenie

W miarę jak coraz więcej krajów zwraca się ku słońcu, by zasilać domy i miasta, pojawia się podstawowe pytanie: jak w praktyce rozmieszczać panele słoneczne, by wycisnąć z nich jak najwięcej elektryczności? To badanie analizuje to zagadnienie w dużej, pustynnej elektrowni w Algierii, porównując panele nieruchome z panelami, które powoli podążają za słońcem. Wyniki pomagają wskazać, jak projektować lepsze farmy słoneczne w gorących, słonecznych rejonach, gdzie każdy dodatkowy procent energii ma znaczenie.

Stacja energetyczna na pustyni jako laboratorium w terenie

Badania prowadzono w elektrowni słonecznej o mocy 1,1 megawata w pobliżu Ghardaïa, na skraju Sahary. Tutaj nasłonecznienie jest silne, ale warunki surowe: latem temperatury powietrza mogą zbliżać się do 50 °C, wiatr niesie drobny piasek, a wilgotność waha się od bardzo suchego popołudnia do wilgotnego poranka. W obrębie tej elektrowni zespół skupił się na czterech podobszarach o mocy około 100 kilowatów każdy, wszystkie nachylone pod kątem 30 stopni i skierowane na południe. Dwa podobszary używały paneli z krzemu monokrystalicznego, a dwa z krzemu polikrystalicznego. Dla każdego materiału jeden podobszar był zamocowany na ramach stałych, a drugi na trackerach jednowymiarowych obracających się na osi wschód–zachód, by śledzić słońce.

Obserwacja słońca i paneli w ciągu pór roku

Zamiast polegać wyłącznie na symulacjach, badacze mierzyli to, co faktycznie działo się w terenie. W ciągu czterech dni w 2016 roku — po jednym w zimie, wiosną, latem i jesienią — rejestrowali moc każdego podobszaru co cztery minuty od wschodu do zachodu słońca. Jednocześnie stacja pogodowa na dachu pomieszczenia kontrolnego śledziła jasność słoneczną, temperaturę powietrza, temperaturę paneli, prędkość wiatru i wilgotność. Zespół przetestował także dobrze znany model matematyczny promieniowania słonecznego na powierzchniach nachylonych, sprawdzając, czy potrafi on dokładnie przewidzieć napływającą energię słoneczną, korzystając z lokalnych danych geograficznych i atmosferycznych. Prognozy modelu dobrze zgadzały się z pomiarami, zwłaszcza latem i jesienią, co potwierdza, że może on wiarygodnie oszacować dostępne nasłonecznienie w tym regionie, gdy brak jest dedykowanych czujników.

Panele stałe kontra panele śledzące słońce

Krzywe mocy ujawniły, jak różne układy zachowują się w ciągu typowego dnia. W słoneczny dzień wiosenny stały podobszar z panelami monokrystalicznymi chwilowo osiągnął najwyższą moc szczytową — około 96 kilowatów — nieco wyżej niż jego odpowiednik śledzący, ponieważ warunki w południe faworyzowały jego dokładne ustawienie. Jednak gdy zespół spojrzał na cały dzień, a nie tylko na najwyższy moment, obraz się zmienił. We wszystkich czterech porach roku systemy śledzące wytwarzały większą średnią moc i większą całkowitą dzienną energię niż systemy stałe. Latem jednowymiarowy podobszar monokrystaliczny dostarczał około 19% więcej średniej mocy niż jego stały odpowiednik, a śledzący podobszar polikrystaliczny zyskał około 21% w porównaniu ze swoim stałym bliźniakiem. Energia dzienna podążała za tym samym wzorem: w dniu testowym w lipcu pola śledzące osiągnęły około 788 i 715 kilowatogodzin, zdecydowanie przewyższając pola stałe, które pozostawały poniżej 640 i 560 kilowatogodzin.

Jak pogoda kształtuje wydajność słoneczną

Dzięki temu, że każdy odczyt powiązano z danymi pogodowymi, badanie mogło wydzielić, jak natura pomaga lub przeszkadza elektrowni. Silniejsze nasłonecznienie naturalnie zwiększało moc, a pola śledzące uchwyciły go więcej, utrzymując swoje powierzchnie lepiej ustawione względem słońca przez cały dzień, szczególnie rano i późnym popołudniem. Temperatury, które często martwią projektantów PV, pozostawały na tyle blisko preferowanego zakresu paneli, że straty efektywności były umiarkowane; w najgorętszy dzień letni wysokie temperatury i silne nasłonecznienie jednocześnie zbiegały się z największymi zyskami mocy dla systemów śledzących. Wiatr okazał się cichym sprzymierzeńcem: bryzy chłodziły panele i czasami zdmuchiwały kurz, co poprawiało wydajność, podczas gdy wysoka wilgotność i chmury zimą i jesienią obniżały wydajność przez przyciemnienie światła i kondensację wilgoci na powierzchniach paneli.

Kwantyfikacja przewagi śledzenia

Aby wyraźnie przedstawić porównanie, badacze obliczyli „procent augmentacji”, pokazujący, o ile więcej średniej mocy pola śledzące wytwarzały w porównaniu do pól stałych tego samego typu paneli. Nawet w mniej korzystne dni testowe zimą i jesienią śledzenie jednowymiarowe zwiększało wydajność paneli monokrystalicznych o około 3–9%, a paneli polikrystalicznych o około 12%. W słoneczniejszych testach wiosennych i letnich zyski sięgały około 10–19% dla paneli monokrystalicznych i 20–21% dla paneli polikrystalicznych. Ogólnie pole śledzące z panelami polikrystalicznymi wykazało nieco większe procentowe zyski, podczas gdy pole śledzące z panelami monokrystalicznymi dostarczyło najwyższą absolutną dzienną energię.

Co to oznacza dla przyszłych farm słonecznych

Dla czytelników myślących o przyszłości czystej energii wniosek jest prosty: w gorących, słonecznych pustyniach, takich jak południowa Algieria, montowanie paneli na prostych systemach śledzenia w osi wschód–zachód może wyraźnie zwiększyć ilość wyprodukowanej energii przy tej samej zainstalowanej mocy. Badanie pokazuje, że te trackery nie tylko wygładzają rozkład mocy w ciągu dnia, lecz także dobrze reagują na miejscowe warunki pogodowe, lepiej wykorzystując silne letnie słońce i chłodzące wiatry. Autorzy wnioskują, że śledzenie jednowymiarowe — szczególnie w połączeniu z wytrzymałymi panelami polikrystalicznymi — stanowi silną opcję dla dużych farm słonecznych w klimatach saharyjskich, a wiarygodne modele nasłonecznienia mogą pomóc w projektowaniu takich systemów nawet tam, gdzie brak szczegółowych pomiarów.

Cytowanie: Abderraouf, B., Lakhdar, L.M., Abdelkader, B. et al. Experimental performance comparison of fixed and single-axis subfields in a large-scale outdoor photovoltaic power plant. Sci Rep 16, 12293 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41570-8

Słowa kluczowe: śledzenie słońca, elektrownia fotowoltaiczna, energia słoneczna na pustyni, panele monokrystaliczne i polikrystaliczne, modelowanie irradiancji słonecznej