W ostatnich latach w wielu regionach Europy zimą coraz częściej występują intensywne opady śniegu oraz długotrwałe niskie temperatury, co sprawia, że praca systemów fotowoltaicznych w złożonych warunkach zimowych staje się coraz powszechniejsza. W przeciwieństwie do warunków letnich o wysokim nasłonecznieniu, ryzyka zimowe często nie są od razu widoczne. Jednak zalegający śnieg, niskie temperatury oraz powtarzające się cykle zamarzania i odmarzania w sposób ciągły zmieniają stan obciążeń działających na system podczas eksploatacji.
Wraz z upowszechnieniem modułów o wysokiej mocy oraz rosnącymi wymiarami modułów, zjawiska te coraz silniej uwydatniają różnice pomiędzy rozwiązaniami konstrukcyjnymi i montażowymi, wpływając na długoterminową niezawodność systemów fotowoltaicznych.
Spis treści
- Jakie wyzwania stoją przed systemami fotowoltaicznymi w ekstremalnych warunkach zimowych?
- Jak konstrukcja modułu wpływa na odporność na obciążenia śniegiem?
- Dlaczego moduły wielkoformatowe częściej ujawniają problemy zimą?
- Jak ograniczyć zimowe ryzyka eksploatacyjne systemów PV?
1. Jakie wyzwania stoją przed systemami fotowoltaicznymi w ekstremalnych warunkach zimowych?
W ekstremalnych warunkach zimowych obciążenia działające na systemy fotowoltaiczne nie wynikają z jednego czynnika, lecz z jednoczesnego oddziaływania kilku warunków środowiskowych, które razem tworzą złożoną presję eksploatacyjną.
W praktyce eksploatacyjnej zimowe wyzwania koncentrują się głównie na następujących obszarach:
1.1 Długotrwałe obciążenie śniegiem
Wpływ śniegu nie ogranicza się wyłącznie do zacienienia promieniowania. Kluczowe znaczenie ma jego długotrwałe obciążenie masą. W przeciwieństwie do obciążeń wiatrem lub krótkotrwałych impulsów, śnieg często zalega na powierzchni modułów przez dłuższy czas, utrzymując moduły i konstrukcję wsporczą w stanie stałego obciążenia.
Tego typu obciążenie jest szczególnie wrażliwe na wymiary modułów, przebieg ścieżek przenoszenia sił oraz sposób mocowania.
1.2 Nierównomierne rozłożenie śniegu i różnice obciążeń
W rzeczywistych warunkach śnieg rzadko pokrywa całą powierzchnię modułu w sposób równomierny. Nachylenie dachu, kierunek wiatru, przeszkody oraz układ modułów prowadzą do zróżnicowanej grubości pokrywy śnieżnej.
Takie nierównomierne obciążenie sprzyja lokalnym odkształceniom lub koncentracjom naprężeń i często jest trudne do oceny na podstawie samej obserwacji wizualnej.
1.3 Powtarzające się topnienie i ponowne zamarzanie
Zima nie oznacza stałych, niskich temperatur. Cykl topnienia w ciągu dnia i zamarzania nocą powoduje ciągłe zmiany stanu obciążeń działających na powierzchnię modułów.
Procesy te mogą wzmacniać nawet niewielkie różnice konstrukcyjne, prowadząc do długotrwałego oddziaływania zmiennych naprężeń na system.
1.4 Wpływ niskich temperatur na materiały i połączenia
W niskich temperaturach zmieniają się właściwości mechaniczne oraz zachowanie odkształceniowe różnych materiałów. Moduły, ramy i elementy połączeniowe podlegają ciągłym zmianom wynikającym z rozszerzalności i kurczenia cieplnego.
W połączeniu z obciążeniem śniegiem może to wpływać na ogólną stabilność systemu.
1.5 Opóźnione ujawnianie się ryzyka
Istotne jest, że opisane oddziaływania rzadko prowadzą do natychmiastowych, widocznych uszkodzeń po jednym zdarzeniu ekstremalnym.
Częściej kumulują się one w trakcie kolejnych sezonów zimowych i ujawniają dopiero w dłuższym okresie eksploatacji jako problemy z niezawodnością systemu.
2. Jak konstrukcja modułu wpływa na niezawodność przy obciążeniu śniegiem?
2.1 Ścieżki przenoszenia obciążeń śniegiem w konstrukcji modułu
W warunkach zimowych obciążenie wywołane przez śnieg nie pozostaje wyłącznie na powierzchni modułu, lecz jest stopniowo przekazywane w dół wzdłuż określonych ścieżek konstrukcyjnych. Proces ten decyduje o tym, czy obciążenie zostanie równomiernie rozproszone, czy też wzmocnione lokalnie.
Typowa ścieżka przenoszenia obciążenia obejmuje:
- powierzchnię szklaną modułu, która przejmuje początkowy nacisk pionowy
- przekazanie obciążenia przez warstwy laminatu do ramy
- dalsze przeniesienie obciążenia z ramy na punkty mocowania i konstrukcję wsporczą
Jeżeli ścieżki przenoszenia obciążeń są ciągłe, a relacje sił jasno określone, obciążenie śniegiem może zostać rozłożone na kilka elementów konstrukcyjnych. W przeciwnym razie, przy obecności stref osłabionych lub przerw w przekazywaniu sił, obciążenia koncentrują się lokalnie, zwiększając ryzyko odkształceń lub długotrwałego zmęczenia materiału.
2.2 Wpływ ramy i rozkładu sztywności na odporność na odkształcenia
To, czy moduł ulegnie trwałym odkształceniom pod długotrwałym obciążeniem śniegiem, zależy przede wszystkim od całkowitej sztywności na zginanie zapewnianej przez system ramy oraz od jej rozkładu na powierzchni modułu.
Rama pełni nie tylko funkcję ochronną i uszczelniającą. Jej geometria przekroju, orientacja oraz współpraca z warstwami szkła bezpośrednio wpływają na skuteczność wykorzystania sztywności konstrukcyjnej pod obciążeniem śniegiem.
W praktyce:
- równomierny rozkład sztywności sprzyja wspólnej pracy całej konstrukcji
- obszary o nagłych zmianach sztywności lub niewystarczającej odporności na zginanie częściej stają się punktami inicjacji odkształceń
Takie różnice konstrukcyjne mogą prowadzić do lokalnych deformacji i obniżać stabilność wewnętrznych elementów modułu oraz połączeń.
2.3 Układ punktów mocowania decyduje o rozkładzie obciążeń
Pod wpływem obciążenia śniegiem równomiernie rozłożona siła powierzchniowa nie jest „pochłaniana” przez moduł jako całość, lecz zamieniana przez punkty mocowania na dyskretne reakcje podporowe. Dlatego liczba, rozmieszczenie i rozstaw punktów mocowania bezpośrednio determinują sposób rozkładu obciążeń w konstrukcji.
Z punktu widzenia obliczeń inżynierskich całkowite pionowe obciążenie śniegiem działające na moduł można przybliżyć zależnością:
Obciążenie śniegiem ≈ intensywność obciążenia śniegiem × powierzchnia modułu (F ≈ q × A)
W rzeczywistej eksploatacji różnice wynikające z układu mocowań często ulegają dalszemu wzmocnieniu podczas pracy konstrukcji. Wraz ze wzrostem odległości między punktami mocowania zwiększa się efektywna rozpiętość modułu, a maksymalne momenty zginające koncentrują się w jego środkowej części.
Przy nierównomiernym rozkładzie śniegu efekt ten nasila się jeszcze bardziej, powodując większe różnice obciążeń między punktami mocowania i wcześniejsze osiąganie wysokich poziomów naprężeń w lokalnych strefach. Jeżeli projekt konstrukcji nie uwzględnia w wystarczającym stopniu obciążeń zimowych, wrażliwość modułu na nierównomierne zaleganie śniegu znacząco rośnie, nawet przy tej samej intensywności obciążenia śniegiem.
3. Dlaczego moduły wielkoformatowe zimą częściej ujawniają problemy?
Po zrozumieniu, w jaki sposób konstrukcja modułu i sposób mocowania wpływają na odporność na obciążenia śniegiem, kluczową rolę zaczyna odgrywać wielkość modułu, która decyduje o tym, czy różnice konstrukcyjne zostaną faktycznie wzmocnione.
Wraz z rozszerzeniem zakresu mocy modułów do 410–800 W ich wymiary oraz masa pojedynczego modułu wyraźnie wzrosły. Zmiana ta stała się istotnym parametrem konstrukcyjnym w projektowaniu systemów PV. W ekstremalnych warunkach zimowych nie tworzy ona nowych problemów, lecz wcześniej i wyraźniej ujawnia istniejącą wrażliwość konstrukcyjną systemu.
Na przykładzie obecnie dominujących bifacjalnych modułów TOPCon z podwójnym szkłem widać to szczególnie wyraźnie. Wysokie moce wiążą się z długościami zbliżonymi do 2 m lub je przekraczającymi, szerokością ok. 1,3 m oraz masą większą o 25–35% w porównaniu z wcześniejszymi modułami 410–450 W. Gdy zimą jednocześnie działają obciążenie śniegiem, ciężar własny i reakcje podpór, skala obciążeń ramy, punktów mocowania i konstrukcji wsporczej zasadniczo różni się od tej występującej w modułach mniejszych.
Aby lepiej określić moment, w którym rozmiar zaczyna wzmacniać problemy, moduły można podzielić na trzy inżynierskie klasy wielkości:
- ok. 1,7 m, 20–25 kg (np. 410–450 W):
Tradycyjne moduły średniej wielkości z krótkimi ścieżkami przenoszenia sił i dużą tolerancją na niedokładności montażu oraz nierówności konstrukcyjne. Zimowe ryzyka dotyczą głównie uzysku energii. - ok. 2,2 m, 30–36 kg (np. 550–650 W):
Wraz ze wzrostem długości i masy zwiększa się efektywna rozpiętość między punktami mocowania. Pojawiają się ugięcia środkowe i lokalne różnice obciążeń, a wrażliwość na dopasowanie konstrukcji i precyzję montażu wyraźnie rośnie. - powyżej ok. 2,35 m, blisko 40 kg (np. ≥ 700 W):
Obciążenia muszą być przenoszone na dłuższych ścieżkach. Przy nierównomiernym zaleganiu śniegu łatwiej dochodzi do wzmocnienia obciążeń w środkowej części modułu i w rejonie mocowań, przez co zimowa wrażliwość konstrukcyjna ujawnia się szybciej.
Moduły wielkoformatowe zimą „ujawniają problemy” nie z powodu wyższej mocy, lecz dlatego, że jednoczesny wzrost wymiarów i masy znacząco obniża tolerancję systemu na niedopasowanie konstrukcji, błędy montażowe i nierównomierne obciążenia. Jeśli nadal stosuje się założenia opracowane dla mniejszych modułów, różnice te są zimą szczególnie szybko wzmacniane.
3.1 Jak należy dostosować założenia inżynierskie, gdy moduły wielkoformatowe stają się standardem?
Gdy wymiary i masa modułów wchodzą w nowy zakres, dotychczasowe założenia opracowane dla małych i średnich modułów nie opisują już w pełni ich zachowania pod obciążeniem. Utrzymanie dotychczasowej logiki projektowej sprawia, że zimą wrażliwość konstrukcyjna ujawnia się wcześniej, mimo braku faktycznego przeciążenia.
Z inżynierskiego punktu widzenia moduły wielkoformatowe nie wprowadzają nowych kategorii ryzyka, lecz zaostrzają wymagania wobec wcześniej domyślnych założeń, zwłaszcza w trzech obszarach: efektywnej rozpiętości, łącznej bazy obciążeń wynikającej z ciężaru własnego i śniegu oraz dopuszczalnej tolerancji błędów montażowych.
Jeżeli założenia te nie zostaną odpowiednio dostosowane, warunki zimowe działają jak wzmacniacz różnic konstrukcyjnych, powodując wcześniejsze ujawnianie się problemów stabilności w trakcie eksploatacji.
4. Jak ograniczyć zimowe ryzyko eksploatacyjne systemów fotowoltaicznych?
W ekstremalnych warunkach zimowych niezawodność systemu PV nie zależy od jednego parametru, lecz od spójnego dopasowania doboru modułów, konstrukcji nośnej i jakości montażu. Wczesna ocena kluczowych zmiennych na etapie projektu jest zwykle skuteczniejsza i tańsza niż późniejsze korekty.
4.1 Traktowanie wymiarów modułu jako parametru konstrukcyjnego już na etapie doboru
Przy mocach 410–800 W wymiary modułu przestają być wyłącznie kwestią transportu czy montażu, a stają się istotnym parametrem obciążeń.
W warunkach zimowych warto zwrócić uwagę na:
- dopasowanie długości i szerokości modułu do rozstawu punktów mocowania
- wpływ sumy ciężaru własnego i obciążenia śniegiem na ramę i konstrukcję wsporczą
- dostępność wytycznych lub doświadczeń projektowych dla modułów wielkoformatowych
Należy unikać bezpośredniego przenoszenia rozwiązań opracowanych dla mniejszych modułów.
4.2 Ograniczanie wrażliwości na rozpiętość w projektowaniu konstrukcji i mocowań
Przy obciążeniu śniegiem ryzyko konstrukcyjne najczęściej pojawia się w strefach o dużej efektywnej rozpiętości. Na etapie projektu można je ograniczyć poprzez:
- optymalizację liczby i rozmieszczenia punktów mocowania
- dopasowanie sztywności konstrukcji wsporczej do klasy wymiarowej modułów
- unikanie nadmiernie „sztywnych” układów w miejscach podatnych na nierównomierne zaleganie śniegu
Celem nie jest maksymalizacja zapasu bezpieczeństwa, lecz równomierne rozłożenie i przenoszenie obciążeń.
4.3 Kontrola dokładności montażu
W przypadku modułów wielkoformatowych nawet niewielkie odchylenia montażowe mogą być zimą wyraźnie wzmacniane. Kluczowe jest więc:
- zachowanie projektowanego położenia, poziomu i symetrii punktów mocowania
- unikanie dodatkowych lokalnych naprężeń wynikających z błędów montażu
- wcześniejsza ocena miejsc akumulacji i zsuwania się śniegu na dachach złożonych lub w strefach brzegowych
Jakość montażu jest integralną częścią zimowej niezawodności systemu.
4.4 Przesunięcie akcentu z „zgodności” na „długoterminową stabilność”
W ekstremalnych warunkach zimowych spełnienie norm jest punktem wyjścia, a nie celem. Dla systemów z modułami o dużej mocy i wymiarach istotniejsze są:
- zachowanie rezerw stabilności w kolejnych cyklach zimowych
- brak trwałych ścieżek koncentracji naprężeń i kumulacji zmęczeniowej
- kontrolowana reakcja konstrukcji przy nierównomiernych obciążeniach
Przejście od myślenia o krótkotrwałej nośności do stabilności długoterminowej jest często kluczowe dla redukcji ryzyka zimowego.
Ryzyko zimowej eksploatacji nie wynika z jednego czynnika, lecz z interakcji konstrukcji, wymiarów i warunków środowiskowych. Wczesne uwzględnienie tych elementów w doborze modułów, projektowaniu i montażu pozwala znacząco poprawić i skutecznie kontrolować niezawodność systemów PV w ekstremalnych warunkach zimowych.
Maysun Solar oferuje na rynku europejskim moduły fotowoltaiczne w technologiach IBC, technologiach TOPCon, technologiach HJT, obejmujące różne klasy wymiarowe i zastosowania systemowe. Dobór i dostawy koncentrują się na kompatybilności konstrukcyjnej, warunkach montażu oraz długoterminowej stabilności eksploatacyjnej, umożliwiając zrównoważenie mocy, wymagań konstrukcyjnych i niezawodności systemu.
Może Ci się spodobać: