Fotowoltaika na dachu wschód-zachód: uzysk, moduły i falownik

Fotowoltaika na dachu wschód-zachód ma sens, jeżeli projekt uwzględnia warunki pracy obu połaci, lokalne zacienienie oraz godzinowy profil zużycia energii w budynku. Taki układ zazwyczaj produkuje mniej energii z 1 kWp niż dobrze nasłoneczniona instalacja południowa, ale zaczyna pracę wcześniej i kończy ją później. Może więc lepiej pokrywać poranny i popołudniowy pobór prądu.

Najważniejsze pytanie nie brzmi: „wschód-zachód czy rezygnacja z instalacji?”. Trzeba ustalić, czy wykorzystać obie połacie, jak rozdzielić między nie moduły oraz czy falownik pozwoli prawidłowo obsłużyć dwa kierunki. Wynik należy policzyć oddzielnie dla każdej strony dachu. Uniwersalny procent straty względem południa nie istnieje.

Czy fotowoltaika na dachu wschód-zachód ma sens?

Tak. Instalacja wykorzystująca wschodnią i zachodnią połać jest rozwiązaniem technicznie poprawnym i w wielu domach racjonalnym. Moduły po stronie wschodniej osiągają wyższą moc rano, natomiast zachodnia część instalacji pracuje intensywniej po południu. W efekcie dzienna krzywa produkcji jest szersza i ma zwykle niższy szczyt w godzinach południowych niż instalacja skierowana na południe.

Niższy uzysk z 1 kWp nie przesądza o opłacalności całego rozwiązania. Jeśli na południowej połaci można zamontować niewiele modułów, a dwie połacie wschód-zachód zapewniają znacznie większą powierzchnię, instalacja dwupołaciowa może wytworzyć więcej energii w skali roku. Porównywać należy zatem produkcję całych wariantów wyrażoną w kWh, a nie samą efektywność jednego kilowata mocy zainstalowanej.

Znaczenie ma także sposób zużywania energii. Wschodnia połać może lepiej zasilać urządzenia uruchamiane rano, a zachodnia wspierać pobór po powrocie domowników. Nie oznacza to jednak automatycznie większej autokonsumpcji. Jeśli większość energii jest zużywana nocą, wydłużenie produkcji nie wystarczy. Korzyść trzeba potwierdzić godzinowymi danymi z licznika i symulacją pracy instalacji.

Południe a wschód-zachód: najważniejsze różnice

Południe pozostaje kierunkiem korzystnym, gdy celem jest maksymalizacja rocznej produkcji z ograniczonej mocy modułów. Wschód-zachód może być lepszą odpowiedzią na kształt dachu, dostępną powierzchnię i rozkład zużycia energii. O wyborze nie powinien przesądzać jeden parametr.

Ile energii może wyprodukować instalacja wschód-zachód?

Nie można podać jednej wartości obowiązującej dla całej Polski. Roczna produkcja zależy między innymi od lokalizacji, dokładnego azymutu każdej połaci, kąta nachylenia, wentylacji modułów, temperatury pracy, zacienienia oraz strat po stronie DC i AC. Oferta podająca stałą stratę procentową bez symulacji dla konkretnego budynku jest zbyt uproszczona.

Skalę różnicy pokazuje polska symulacja instalacji o mocy 9,6 kWp. Obliczenia wykonano dla określonych założeń i bez zacienienia, dlatego poniższych wyników nie należy traktować jako ogólnopolskiej normy.

W tej konkretnej analizie warianty wschód-zachód uzyskały około 80-83% produkcji wariantu południowego. Przy innym położeniu budynku, kącie dachu i otoczeniu różnica może być inna. Symulacja wykazała też, że w analizowanym wariancie wschód-zachód zwiększanie nachylenia od 5° do 45° stopniowo obniżało roczny uzysk.

Nie jest to argument za przebudową istniejącego dachu skośnego ani montowaniem modułów na wysokich stelażach. Taka konstrukcja zwiększa oddziaływanie wiatru, komplikuje mocowanie i może powodować dodatkowe zacienienie. Na dachu skośnym moduły najczęściej prowadzi się równolegle do pokrycia, a sens innych rozwiązań musi zostać potwierdzony obliczeniami konstrukcyjnymi i energetycznymi.

W praktyce trzeba porównać całe warianty. Przykładowo mniejsza instalacja południowa może osiągać lepszy wynik z 1 kWp, ale większy system rozłożony na dwóch połaciach może wyprodukować więcej energii rocznie. Znaczenie ma również to, jaka część tej energii zostanie zużyta bezpośrednio w budynku.

Jak policzyć produkcję dla obu połaci krok po kroku?

Wschodniej i zachodniej części instalacji nie należy upraszczać do jednego średniego kierunku. Uśrednienie azymutów do 0° mogłoby zasymulować instalację południową i stworzyć nieprawidłowy profil produkcji. Obliczenia trzeba wykonać oddzielnie, a wyniki dopiero później zsumować.

1. Ustal dokładny azymut każdej połaci. Określenia „wschód” i „zachód” są zbyt ogólne. Jedna połać może być skierowana na południowy wschód, a druga na północny zachód, co istotnie zmieni uzysk.
2. Sprawdź kąt nachylenia. Należy podać rzeczywisty kąt każdej połaci. Jeżeli dach ma kilka płaszczyzn, każdą z nich trzeba opisać osobno.
3. Określ możliwą liczbę modułów. Trzeba uwzględnić wymiary połaci, strefy przy krawędziach, kominy, wyłazy, okna dachowe i wymagany dostęp serwisowy.
4. Policz moc każdej części instalacji. Moc wschodniej i zachodniej grupy modułów należy wprowadzić do symulacji zgodnie z rzeczywistym planem rozmieszczenia.
5. Wykonaj dwie osobne symulacje. W narzędziu PVGIS Komisji Europejskiej 0° oznacza południe, -90° wschód, a +90° zachód.
6. Uwzględnij straty systemowe. Założenia powinny obejmować między innymi temperaturę modułów, przewody, falownik, zabrudzenie i niedopasowanie parametrów modułów.
7. Dodaj wpływ lokalnego zacienienia. Kalkulator może uwzględniać odległy horyzont, ale nie rozpoznaje automatycznie pobliskich drzew, kominów i sąsiednich budynków.
8. Zsumuj wyniki miesięczne i godzinowe. Sama roczna liczba kWh nie pokazuje, czy produkcja pasuje do godzin poboru energii.
9. Porównaj produkcję z profilem zużycia. Najlepiej wykorzystać dane godzinowe z licznika lub aplikacji operatora z możliwie długiego okresu, najlepiej obejmującego różne pory roku.

Do wstępnej analizy właściciel może zebrać rzut dachu, zdjęcia połaci, orientację budynku oraz dane pomiarowe. Projekt wykonawczy wymaga natomiast sprawdzenia konstrukcji, stref obciążenia wiatrem, rozstawu mocowań, tras przewodów i parametrów elektrycznych każdego stringu.

Jak podzielić moduły między wschód i zachód?

Podział 50/50 jest wygodnym punktem wyjścia, ale nie obowiązkową zasadą. Liczbę modułów można przesunąć na stronę lepiej nasłonecznioną, większą albo odpowiadającą godzinom największego poboru energii. Każdy wariant musi przy tym spełniać wymagania napięciowe i prądowe falownika.

Przy 20 modułach układ nie musi składać się z dwóch identycznych grup po 10 sztuk. Wariant 8 modułów na wschodzie i 12 na zachodzie może lepiej pasować do popołudniowego poboru. Projektant musi jednak sprawdzić, czy krótszy string osiągnie wymagane napięcie startowe i pozostanie w zakresie MPPT podczas wysokiej temperatury modułów.

Warto przeanalizować pełny rok zużycia. Klimatyzacja latem, pompa ciepła zimą i ładowanie samochodu w wybrane dni tworzą zupełnie różne profile obciążenia. Dane z pojedynczego miesiąca mogą prowadzić do błędnego podziału modułów. Jeżeli dostępne są tylko rachunki miesięczne, prognozę autokonsumpcji należy traktować jako mniej pewną.

Jak dobrać falownik, stringi i MPPT?

Moduły skierowane na wyraźnie różne strony powinny co do zasady pracować na oddzielnych trackerach MPPT. W typowej instalacji string wschodni podłącza się do jednego MPPT, a zachodni do drugiego. Dzięki temu falownik może niezależnie wyszukiwać punkt maksymalnej mocy dla obu orientacji.

Nie należy zakładać, że falownik z dwoma gniazdami wejściowymi ma dwa niezależne trackery. Trzeba sprawdzić schemat urządzenia i dokumentację producenta. Równie ważne są zakres napięcia MPPT, napięcie startowe, maksymalne napięcie DC oraz dopuszczalny prąd każdego wejścia.

Przy projektowaniu instalacji należy zweryfikować:

• napięcie każdego stringu przy najniższej zakładanej temperaturze,
• napięcie robocze rozgrzanych modułów w upalny dzień,
• prąd roboczy i prąd zwarciowy względem limitów wejść falownika,
• minimalną i maksymalną liczbę modułów w stringu,
• dopuszczalną moc generatora DC,
• przypisanie poszczególnych stringów do niezależnych MPPT,
• możliwość oddzielnego monitorowania pracy obu połaci,
• zgodność z planowanym magazynem energii, jeżeli ma zostać dodany.

Układ wschód-zachód ma zazwyczaj niższy wspólny szczyt mocy, ponieważ obie połacie rzadko osiągają maksimum w tym samym czasie. W niektórych projektach umożliwia to zastosowanie większego stosunku mocy modułów DC do mocy falownika AC. Nie wolno jednak przyjmować jednej uniwersalnej wartości przewymiarowania. Granicę wyznaczają parametry elektryczne, dopuszczalna moc DC, prądy wejściowe, zakres MPPT, przewidywane ograniczanie mocy oraz warunki gwarancji konkretnego urządzenia.

Łączenie równoległe stringów o różnych orientacjach lub różnym napromienieniu wymaga jednoznacznego potwierdzenia w dokumentacji falownika i obliczeń projektowych. Nie jest to rozwiązanie, które powinno być wykonywane na podstawie ogólnego schematu znalezionego w internecie.

Optymalizatory mocy nie są obowiązkowe tylko dlatego, że moduły znajdują się na dwóch połaciach. Mogą być przydatne przy nierównomiernym zacienieniu albo skomplikowanej geometrii dachu, ale nie zastępują prawidłowego podziału stringów i doboru MPPT. W prostym, niezacienionym układzie wystarczające mogą być dwa prawidłowo zaprojektowane obwody podłączone do niezależnych trackerów.

Dach skośny i płaski wymagają innych rozwiązań

Dach skośny

Na dachu skośnym moduły montuje się najczęściej równolegle do pokrycia. Trzeba zachować odpowiednie odległości od krawędzi, kalenicy, kominów, wyłazów i elementów wentylacyjnych. Maksymalne wypełnienie każdego wolnego fragmentu nie zawsze jest korzystne. Zbyt ciasny układ może utrudnić serwis, dostęp kominiarski i bezpieczne prowadzenie przewodów.

Przed montażem trzeba ocenić stan pokrycia i konstrukcji. Jeżeli dach przecieka albo będzie wkrótce remontowany, lepiej najpierw wykonać naprawy. Późniejsze zdejmowanie modułów oraz systemu montażowego zwiększy koszt wymiany pokrycia.

Elementy mocujące muszą być dobrane do rodzaju pokrycia i zakotwione w odpowiednich elementach konstrukcyjnych. Niedopuszczalne jest przypadkowe przewiercanie dachu oraz zastępowanie właściwego uszczelnienia doraźnymi masami. Projekt powinien uwzględniać obciążenie śniegiem i wiatrem, szczególnie w strefach brzegowych i narożnych.

Dach płaski

Na dachu płaskim układ wschód-zachód z niewielkim nachyleniem pozwala gęściej rozmieścić rzędy i ograniczyć ich wzajemne zacienianie. Dzięki temu można wykorzystać większą część dostępnej powierzchni niż przy rzędach skierowanych wyłącznie na południe i wymagających większych odstępów.

Niewielki kąt może jednak sprzyjać gromadzeniu się zabrudzeń. Rozmieszczenie konstrukcji nie może blokować odpływu wody, wpustów dachowych ani dojścia do urządzeń technicznych. Trzeba również pozostawić drogi serwisowe.

System balastowy wymaga sprawdzenia nośności stropodachu oraz obliczeń oddziaływania wiatru. Ilości balastu nie dobiera się według jednej wartości przypisanej do modułu lub metra kwadratowego. Inne obciążenia występują w środku dachu, a inne przy narożnikach i krawędziach. Konstrukcja nie może uszkadzać hydroizolacji.

Jak ocenić cień od kominów, drzew i budynków?

Zacienienie należy analizować oddzielnie dla wschodniej i zachodniej części instalacji. Drzewo po wschodniej stronie może ograniczyć produkcję dokładnie w godzinach, w których wschodni string powinien pracować najintensywniej. Komin albo sąsiedni budynek po stronie zachodniej może natomiast skrócić popołudniową produkcję, dla której wybrano tę połać.

Jedno zdjęcie wykonane w słoneczne południe latem nie wystarczy. Zimą słońce znajduje się niżej, a cienie są dłuższe. Analiza powinna uwzględniać poranek, środek dnia i popołudnie w różnych porach roku oraz przebieg cienia na planowanych rzędach modułów.

Należy odróżnić odległy horyzont od przeszkód znajdujących się blisko budynku. Narzędzie obliczeniowe może odwzorować wzgórza i ukształtowanie terenu, ale nie wykryje automatycznie komina, anteny, świeżo postawionego domu ani rosnącego drzewa. Potrzebna jest wizja lokalna lub pomiar odpowiednim narzędziem do analizy zacienienia.

Jak porównać oferty instalatorów?

Dwie instalacje o tej samej mocy kWp mogą różnić się rocznym uzyskiem, godzinami produkcji, autokonsumpcją i częstotliwością ograniczania mocy przez falownik. Dlatego nie należy porównywać ofert wyłącznie na podstawie liczby modułów i ceny całkowitej. Szersze zagadnienie ekonomiki omawia poradnik wyjaśniający, czy fotowoltaika się opłaca.

W ofercie dla dachu wschód-zachód powinny znaleźć się:

• liczba i moc modułów na każdej połaci,
• prognoza kWh/rok osobno dla wschodu i zachodu,
• miesięczny, a najlepiej także godzinowy profil produkcji,
• azymuty i kąty przyjęte do symulacji,
• założone straty systemowe,
• opis sposobu uwzględnienia zacienienia,
• liczba modułów w każdym stringu,
• przypisanie stringów do poszczególnych MPPT,
• sprawdzenie napięć i prądów dla skrajnych temperatur,
• stosunek mocy DC modułów do mocy AC falownika,
• prognoza ograniczania mocy przez falownik,
• szacowana autokonsumpcja oparta na profilu zużycia,
• rodzaj konstrukcji, sposób mocowania i przebieg przewodów DC,
• zakres monitoringu i warunki gwarancji.

Jeżeli jedna oferta zakłada równy podział modułów, a druga wyraźną przewagę zachodu, wykonawcy powinni uzasadnić swoje propozycje danymi o nasłonecznieniu, cieniu, zużyciu i zakresie pracy MPPT. Ogólne stwierdzenie, że zachód jest lepszy dla domowników wracających z pracy, nie zastępuje obliczeń.

Który wariant wybrać?

Wykorzystaj obie połacie

To rozwiązanie jest odpowiednie, gdy obie strony mają dobre nasłonecznienie, zapewniają miejsce na prawidłowe stringi i pozwalają uzyskać potrzebną moc. Falownik musi mieć odpowiednią liczbę niezależnych MPPT, a każda grupa modułów powinna mieścić się w wymaganym zakresie napięcia i prądu.

Wybierz tylko jedną połać

Taki wariant warto rozważyć, gdy druga strona jest długo zacieniona, ma bardzo małą powierzchnię albo wymusza string, który nie spełnia wymagań falownika. Rezygnacja z kilku modułów może być rozsądniejsza niż budowanie skomplikowanego i słabo pracującego obwodu.

Przesuń więcej modułów na zachód

Większy udział zachodniej połaci może być uzasadniony, jeżeli pomiary potwierdzają wysoki pobór po południu, a dach nie jest wtedy zacieniony. Należy sprawdzić, czy produkcja zachodnia rzeczywiście przypada na godziny pracy pompy ciepła, klimatyzacji, podgrzewacza wody lub ładowarki samochodowej.

Przesuń więcej modułów na wschód

Wschodnia połać może otrzymać większą liczbę modułów, jeśli dom zużywa dużo energii rano, a po południu pobór spada. Także w tym wariancie decydują dane pomiarowe, cień oraz poprawność elektryczna obu stringów.

Wstrzymaj inwestycję i najpierw napraw dach

Jeżeli pokrycie jest zużyte, konstrukcja ugięta, dach przecieka lub wymiana planowana jest w najbliższym czasie, montaż modułów należy poprzedzić remontem. Instalacja PV nie powinna utrudniać usunięcia istniejących problemów technicznych.

Co można sprawdzić samodzielnie, a co zlecić fachowcowi?

Samodzielnie można pobrać profil zużycia, zebrać rachunki, określić orientację budynku, wykonać wstępną symulację i porównać warianty ofertowe. Nie należy samodzielnie projektować połączeń DC, dobierać zabezpieczeń, ingerować w rozdzielnicę ani wchodzić na dach bez odpowiedniego przygotowania i ochrony przed upadkiem.

Projektant lub instalator powinien ocenić stan pokrycia, konstrukcję dachu, sposób zakotwienia, szczelność przejść, strefę śniegową i wiatrową, przebieg przewodów DC, ochronę przepięciową oraz parametry stringów. Montaż i pomiary odbiorcze powinny zostać wykonane przez osoby z odpowiednimi kwalifikacjami, zgodnie z dokumentacją urządzeń.

Pomoc fachowca jest konieczna szczególnie wtedy, gdy:

• dach jest stary, ugięty, przecieka albo ma zostać wymieniony,
• występują liczne kominy, lukarny, wyłazy lub okresowe zacienienie,
• połacie mają różne kąty i nietypowe azymuty,
• proponowane jest podłączenie różnych orientacji do jednego MPPT,
• nie jest znana nośność stropodachu,
• projekt obejmuje system balastowy na dachu płaskim,
• instalacja ma współpracować z magazynem energii, pompą ciepła lub ładowarką samochodową,
• trzeba ocenić instalację odgromową, połączenia wyrównawcze i ochronę przepięciową.

Dla urządzeń fotowoltaicznych o mocy zainstalowanej elektrycznej większej niż 6,5 kW projekt wymaga uzgodnienia z rzeczoznawcą do spraw zabezpieczeń przeciwpożarowych. Po zakończeniu montażu należy zawiadomić właściwy organ Państwowej Straży Pożarnej i przekazać plan instalacji przeznaczony dla ekip ratowniczych.

Samo instalowanie urządzeń fotowoltaicznych o mocy do 150 kW zasadniczo nie wymaga pozwolenia na budowę ani zgłoszenia. Inne cechy inwestycji, budynku lub obszaru mogą jednak powodować dodatkowe obowiązki, dlatego nietypowy przypadek należy sprawdzić indywidualnie przed rozpoczęciem prac.

Przed wyborem instalacji należy policzyć obie połacie osobno, sprawdzić zacienienie i zestawić produkcję z godzinowym profilem zużycia. Następnie warto porównać równy podział modułów z wariantem przesuniętym na wschód lub zachód. Ostateczna oferta powinna zawierać schemat stringów, przypisanie MPPT, prognozę kWh/rok i jawne założenia dotyczące strat. Jeśli dach albo konfiguracja elektryczna budzą wątpliwości, potrzebne są oględziny i projekt wykonany przez osobę z odpowiednimi kwalifikacjami.