Проєктування зимової фотовольтаїки для карпатської еко-спільноти

Кожна інструкція з встановлення сонячних панелей починається однаково: орієнтуйте на південь, нахил — широта мінус 15 градусів, максимізуйте річний виробіток. Для більшої частини Європи це правильно. Для будинку з мережевим підключенням літній надлишок компенсує зимовий дефіцит через зелений тариф. Річний підсумок — це те, що має значення.

На Теплій Горі жодне з цих припущень не працює. Спільнота будує Unity Hub — енергонезалежну будівлю в українських Карпатах. На ділянці є підключення до мережі, але мета — максимальна практична автономність: система має працювати без залежності від мережі. Кожна кіловат-година, яку доводиться купувати з мережі, — це прорахунок у проєктуванні. У липні, коли батареї повні ще до обіду, а тепловий насос стоїть, надлишок сонячної генерації має обмежену цінність. У грудні, коли потреба в опаленні максимальна, а сонце ледве піднімається над лінією дерев на півдні, кожна локально згенерована кіловат-година критична.

Нам потрібен проєкт сонячних панелей, оптимізований для зими. Дослідження привело нас туди, де ми не очікували опинитись.

Карпатська зимова проблема

Грудень і січень у Карпатах мають характерну рису, з якою більшість моделей фотовольтаїки справляються погано. Дні короткі — близько восьми годин номінального світлового дня. Сонце тримається низько, ледве 18 градусів над горизонтом о сонячному полудні. Але справжня проблема — не геометрія. Це погода.

У типовому карпатському грудні чисте небо — таке, де сонце видно як диск — з'являється, може, два-три дні на місяць. Решту 28 днів — суцільна хмарність. Щільні шари хмар, туман у долинах, сніг, що падає чи лежить. Стандартні моделі сонячної радіації, що оцінюють виробіток на основі прямої нормальної опроміненості та кут-скоригованого прямого випромінювання, надають завелику вагу тим рідкісним ясним годинам. Вони підказують, що стрімкий дахній монтаж на південь — очевидна відповідь.

І на річній базі вони мають рацію. Стрімка південна дахова установка дійсно виробляє найбільше кіловат-годин за дванадцять місяців.

Але ми оптимізуємо не на дванадцять місяців. Ми оптимізуємо на грудень і січень, коли будівля потребує найбільше енергії і отримує найменше.

Три конфігурації, одне питання

Ми порівняли варіанти за допомогою PVGIS для репрезентативної карпатської точки: 48,5° північної широти, 24,5° східної довготи, близько 758 метрів висоти. База даних — PVGIS-SARAH3 (2005-2023) з профілями горизонту DEM, що враховують затінення від навколишніх гір. Усі цифри — на один кіловат-пік встановленої потужності, системні втрати обнулені, щоб ізолювати геометрію.

Конфігурація 1: класичний зимовий монтаж. Односторонні панелі на даху, на південь, нахил 65 градусів — стрімкий «зимовий кут» для низького сонця. Сумарний виробіток за грудень і січень: близько 104,6 кВт·год на кВтп. Це відповідь з підручника. Одна умова: панелі треба регулярно чистити від снігу.

Конфігурація 2: вертикальна двостороння, грані схід-захід. Панелі стоять вертикально на землі як паркан, орієнтовані вздовж осі північ-південь. Одна грань дивиться на схід, друга на захід. Сумарний виробіток за грудень і січень з біфасціальністю: близько 45-52 кВт·год на кВтп. Менше половини класичної установки. Причина проста: взимку сонце проводить всю свою дугу в південній половині неба. Розділення схід-захід пропускає середину дня, коли доступного світла найбільше.

Конфігурація 3: вертикальна двостороння, грані південь-північ. Той самий вертикальний «паркан», але повернутий на 90 градусів — панель стоїть вздовж осі схід-захід, одна грань дивиться на південь, друга на північ. Тільки південна грань (односторонній еквівалент) дає близько 96,6 кВт·год на кВтп — 92 відсотки від дахового варіанту, без жодної очистки від снігу. Додаємо задню (північну) грань, що збирає дифузне світло неба і відбиття від снігу, і оцінка зростає до 97-117 кВт·год на кВтп. (PVGIS не моделює біфасціальні панелі напряму — внесок задньої грані це наша інженерна оцінка на основі припущеного коефіцієнта біфасціальності та місцевого альбедо.)

Остання цифра привернула увагу. Вертикальна наземна панель без проблем з доступом і без накопичення снігу працює на рівні ідеальної дахової установки, яка потребує регулярної очистки?

Ми хотіли зрозуміти, чому це працює. І чи витримують ці цифри перевірку.

Що панелі насправді збирають

Відповідь — у тому, яке світло реально доступне в карпатському грудні.

Стандартне проєктування PV передбачає суміш прямої та дифузної радіації, де пряма домінує в ясні дні. Кут і орієнтація панелі налаштовані на перехоплення прямого променю під вигідним кутом. Це працює в кліматах з регулярним сонцем.

У Карпатах у грудні прямого променю майже немає. Два-три ясні дні з тридцяти означають, що приблизно 90 відсотків місячного світла надходить як дифузна радіація — світло, розсіяне хмарами і розподілене по небу.

У найпростішій моделі — ізотропний дифуз, де світло надходить рівномірно з усіх напрямків — виробіток панелі залежить лише від того, скільки неба вона бачить. Формула чиста: коефіцієнт видимості неба = (1 + cos β) / 2. Горизонтальна панель бачить все небо — 100 відсотків. Вертикальна — половину, 50 відсотків. Нахил 65 градусів — приблизно 71 відсоток.

Якби дифузне світло було всією картиною, нахил 65° перевершував би вертикаль на 42 відсотки, і жодна наземна вертикальна система не могла б конкурувати з даховою. Кінець дискусії.

Але дифузне світло — не вся картина. Дві речі змінюють математику.

Небо не однорідно яскраве

Реальне хмарне небо освітлене нерівномірно. Ділянка неба, де сонце ховається за хмарами, помітно яскравіша за решту — це називається circumsolar brightening, навколосонячне підсилення. Взимку сонце тримається в південній частині неба весь день. Тому південна півсфера неба стабільно яскравіша за північну, навіть у дні, коли сонця безпосередньо не видно.

Стандартні моделі радіації (Hay-Davies, Perez) розкладають дифузну радіацію на ізотропну та направлену складові. Коли хмари дуже щільні й однорідні, направлена складова мала. Коли хмари тонші або з розривами, вона стає значною.

Це означає, що поверхні, звернені на південь, збирають більше дифузного світла, ніж звернені на північ, схід чи захід. Не набагато більше в кожен окремий день, але стабільно більше протягом місяця. Саме тому конфігурація 3 (грані південь-північ) перевершує конфігурацію 2 (грані схід-захід) навіть у переважно дифузних умовах.

Сніг змінює другу половину рівняння

Другий фактор — відбите від землі світло. Кожна поверхня відбиває якусь частку вхідного світла вгору. Це відбите світло досягає нахилених і вертикальних панелей знизу.

Влітку земля темна: трава, ґрунт, мокре листя. Альбедо (коефіцієнт відбиття) близько 0,2 — поглинається 80 відсотків, відбивається 20. Для вертикальної панелі, яка бачить більше землі й менше неба, ніж нахилена, — це штраф. Менше неба, більше темної землі.

Взимку зі снігом земля перетворюється на дзеркало. Свіжий сніг має альбедо близько 0,8-0,9 — відбиває 80-90 відсотків. Злежаний сніг — 0,6-0,7. На Теплій Горі, де сніг лежить з листопада по березень, ця відбита складова стає суттєвою.

Комбінований коефіцієнт збору (небесний дифуз + відбиття від землі):

(1 + cos β) / 2 + ρ × (1 - cos β) / 2

Зі снігом (альбедо 0,8) вертикальна панель збирає близько 90 відсотків теоретичного максимуму. Нахил 65 градусів — близько 94 відсотків. Різниця скорочується до приблизно 5 відсотків.

Без снігу різниця 28 відсотків. Зі снігом — 5 відсотків. Сніговий покрив практично усуває геометричний недолік вертикального положення.

І вертикальні панелі мають одну абсолютну перевагу, яку ніяка оптимізація нахилу не може перевершити: на них не накопичується сніг. Панель під 65 градусів на даху засипає. Вертикальна — ні. У Карпатах, де за одну ніч може випасти 20-30 см снігу, і де очищення означає залізти на стрімкий дах на морозі, — практична різниця велика.

Що це означає для розміщення

Якщо вертикальні двосторонні панелі — це не «ловці сонця», а «ловці неба і снігу», логіка розміщення змінюється.

Традиційний вибір місця для PV зосереджений на уникненні тіні від перешкод, що блокують пряме сонячне світло. Критичні години — навколо сонячного полудня, критичні перешкоди — все, що стоїть між панеллю і траєкторією сонця.

Для збору дифузного світла турбота інша. Важливо, скільки небесного купола бачить панель (обома гранями) і скільки яскравої землі (снігу) її оточує. Правила розміщення, що з цього випливають:

Орієнтувати на південь, де можливо. Не тому, що сонце там (воно зазвичай за хмарами), а тому, що південне небо в середньому яскравіше. Якщо рельєф чи дерева роблять точний південь непрактичним, невеликі відхилення коштують мало.

Максимізувати відкриту засніжену землю з обох боків. Задня грань двосторонньої панелі збирає світло, відбите від землі позаду. Якщо ззаду темна стіна лісу — збір падає майже до нуля. Ідеальне місце має відкриту засніжену землю на кілька метрів у кожному напрямку.

Уникати темних поверхонь поблизу: густий ліс, темні схили, будівлі, все, що поглинає світло і блокує вид неба. Лінія дерев за 10 метрів, заввишки 15 метрів, може зрізати видиме небо на 20-30 відсотків з того боку.

Монтувати вище снігової лінії. Нижній край панелі має бути вище максимальної очікуваної висоти заметів. На Теплій Горі це десь між 1,0 і 1,5 метра, залежно від конкретного місця й вітрової експозиції.

Враховувати вітер. Вертикальна панель — це вітрило. Карпати мають сильні зимові вітри на відкритих висотах. Конструкція кріплення має витримувати постійні навантаження і пориви. Це не місце для легких побутових рамних систем.

Де це вписується в енерго-дизайн

Зараз на Теплій Горі близько 3 кВт сонячних панелей. Для Unity Hub ми думаємо про приблизно 20 кВт — на ділянці є місце, панелі дешеві, і надмірне масштабування PV — один з найпростіших способів покращити зимову продуктивність. Навіть при низькому зимовому виробітку більший масив дає відчутну енергію.

PVGIS дає близько 31 кВт·год на день від масиву 20 кВт вертикально на південь у грудні-січні (тільки одностороння панель). Додавання нашої оцінки біфасціальності піднімає це до приблизно 35-38 кВт·год — але ця частина неперевірена. Консервативніша прикидка — приблизно 1/10 від пікової потужності в хмарні дні плюс трохи біфасціального та альбедо-бонусу — дає ближче до 20-25 кВт·год. Реальне число залежить від локальних умов, які ми ще не виміряли. В будь-якому випадку десь у діапазоні 20-38 кВт·год від масиву 20 кВт — це відчутний внесок у зимовий енергобюджет будівлі.

Ємність батарей у поточній специфікації — 30-40 кВт·год, що відчувається як мінімум. Щось ближче до 60 кВт·год дасть комфортнішу нічну автономність, особливо в багатоденні хмарні періоди. З іншого боку, при достатньо великому масиві PV ємність батарей стає менш критичною — більше енергії надходить протягом дня, менше потрібно зберігати.

Вітрогенератори були частиною початкової енергетичної концепції, але ми переосмислюємо це. Вони мають реальні мінуси: механічна складність, обслуговування на висоті, шум, візуальний вплив, регуляторні питання. PV-панелі не мають жодної з цих проблем. Вони стоять тихо, не потребують обслуговування і масштабуються лінійно — якщо потрібно більше енергії, додаєте більше панелей. З достатньою кількістю наземних вертикальних біфасціальних панелей і адекватними батареями вітер може бути взагалі непотрібним. Це досі відкрите питання, але економіка і простота PV постійно тягнуть у цьому напрямку.

Чого ми ще не знаємо

Цифри PVGIS у цьому аналізі використовують загальні дані рельєфу. Реальний горизонт у конкретному місці встановлення може бути кращим або гіршим. Виїзд на місце з ширококутними фото горизонту дозволить запустити реалістичні симуляції.

Ми ще не обрали конкретні панелі. Коефіцієнт біфасціальності варіюється від 0,65 до понад 0,90 залежно від технології комірок. N-type (HJT, TOPCon) зараз дають найвищу біфасціальність. Вибір безпосередньо впливає на внесок задньої грані.

Питання вітрового навантаження реальне. Вертикальні панелі на відкритій гірській ділянці потребують нормального конструктивного розрахунку — не прикидок на око.

І ми ще не рахували вартість. Наземні вертикальні біфасціальні системи з глибокими анкерами — не найдешевша конфігурація PV. Чи виправдовує перевага зимового виробітку цінову надбавку, залежить від цифр, яких у нас поки немає.

План — почати з тестової установки: одна-дві панелі, з приладами, на одну зимову сезон на ділянці. Реальні дані з реального місця, з реальним горизонтом і реальним сніговим покривом, скажуть більше, ніж будь-яка симуляція.

Крок назад

Стандартне проєктування PV працює для стандартних умов: мережеве підключення, помірний клімат, річна оптимізація. Жодне з цих не стосується Теплої Гори. Коли ми перестали питати «який найкращий річний виробіток?» і почали питати «що реально дає енергію в грудні?», відповідь зсунулась на конфігурацію, яку жоден стандартний інструмент підбору не запропонував би.

Фізика вже була відома. Моделі дифузної радіації, поправки на альбедо, розрахунки біфасціального виграшу, нічого з цього немає нового в літературі. Нас здивував практичний висновок: у кліматі, де домінують хмарність і сніг, оптимальний зимовий дизайн PV не схожий на оптимальний річний. Різниця достатньо велика, щоб змінити вибір технології.

Чи стануть вертикальні біфасціальні панелі правильною відповіддю для Теплої Гори, залежить від вартості, конструктивної реалізованості та фактичної продуктивності на місці. Фізика це підтримує. Наступний крок — з'ясувати, чи підтримують це інженерія та економіка.

---

Це дослідження — частина проєктування енергосистеми Unity Hub у рамках проєкту UA Unity Hub на Теплій Горі. Пов'язані: Проєктування автономної каналізації для віддаленої еко-спільноти, Проєктування автономного водопостачання для карпатської еко-спільноти.