Czym jest horyzont zacienienia i dlaczego decyduje o twoim uzysku

Niebo to kopuła, a twoje przeszkody wgryzają się w nią

Stań w miejscu, gdzie chcesz postawić panele słoneczne, i spójrz w górę. Niebo to kopuła. Słońce wędruje po tej kopule po krzywej drodze, która przesuwa się wraz z porami roku. Każde drzewo, kalenica dachu, komin i sąsiedni budynek wznosi się z ziemi i zakrywa część dolnej kopuły. Ten zarys, wysokość wszystkiego, co zasłania ci widok nieba, mierzona całego dookoła ciebie, to horyzont zacienienia. Inżynierowie nazywają go też profilem horyzontu.

By opisać go dokładnie, potrzebujesz dwóch kątów. Pierwszy to kierunek geograficzny, zwany azymutem. Umownie 0 stopni to północ, 90 stopni to wschód, 180 stopni to południe, a 270 stopni to zachód. Drugi to to, jak wysoko obiekt sięga ponad płaski horyzont, zwany kątem elewacji lub wysokości, od 0 stopni (płasko, na poziomie oczu) aż do 90 stopni (prosto nad głową).

Horyzont zacienienia to po prostu tabela tych dwóch liczb razem. Dla każdego kierunku geograficznego, jaki jest kąt elewacji najwyższej rzeczy zasłaniającej niebo? Rząd topoli dokładnie na południe może sięgać 25 stopni. Otwarte pole na zachodzie może mieć 2 stopnie. Dom sąsiada na południowym wschodzie może mieć 18 stopni. Wykreśl te punkty i połącz je, a otrzymasz poszarpaną linię oddzielającą otwarte niebo powyżej od zasłoniętego nieba poniżej. Wszystko poniżej linii to zacienienie. Wszystko powyżej to potencjalne światło słoneczne.

Dlaczego ta linia liczy się najbardziej zimą

Horyzont zacienienia nie miałby znaczenia, gdyby słońce zawsze stało wysoko nad głową. Tak nie jest. Wysokość słońca zmienia się ogromnie w ciągu roku, i to właśnie dlatego ten pomiar decyduje o twoim uzysku.

W południe słoneczne wysokość słońca równa się 90 stopni minus różnica między twoją szerokością geograficzną a deklinacją słońca. Deklinacja waha się między plus 23,45 stopnia w przesileniu czerwcowym a minus 23,45 stopnia w przesileniu grudniowym. Dla miejsca na 50 stopniach szerokości północnej, z grubsza Frankfurt lub Praga, daje to południowe słońce około 63 stopni wysoko w czerwcu i tylko około 16 stopni wysoko w grudniu. To wahanie blisko 47 stopni między porami roku.

Teraz niebezpieczeństwo jest oczywiste. W czerwcu słońce jedzie wysoko po niebie i z łatwością omija większość przeszkód. W grudniu ledwie unosi się nad horyzontem, przemykając nisko po południu przez kilka godzin, zanim znów zajdzie. Dokładnie to pasmo nieba, gdzie żyje zimowe słońce, nisko i ku południowi, jest dokładnie tym pasmem, które drzewa i budynki najprawdopodobniej zasłonią. Rząd iglaków, który latem nie rzuca cienia na twoje panele, może stać wprost przed grudniowym słońcem.

Dlatego dach może wyglądać idealnie w słoneczne lipcowe popołudnie, a mimo to dawać słabe wyniki. Letni test przechodzi. Zimowy test, ten, który liczy się dla systemu całorocznego, po cichu nie wypada. Tylko zmierzony horyzont zacienienia pokazuje ci oba naraz.

Gdzie na horyzoncie szkoda jest największa

Nie wszystkie przeszkody są równe. Przeszkoda dokładnie na północ od miejsca na półkuli północnej nie zasłania niemal nic, bo słońce nigdy nie jest na północnym niebie w produktywnych godzinach. Słońce wschodzi na południowym wschodzie, wspina się przez południe i zachodzi na południowym zachodzie. Więc kierunki, które liczą się, to z grubsza południowy wschód (około 135 stopni) przez południe (180 stopni) po południowy zachód (około 225 stopni).

Drzewo lub budynek w tym południowym łuku odbiera słońce w środku dnia, gdy jest ono najwyżej, najsilniejsze i dostarcza najwięcej energii na minutę. Ten sam obiekt umieszczony dokładnie na wschód kosztuje cię tylko trochę wczesnoporannego światła, które jest słabsze i krótsze. Dlatego dwa dachy z taką samą łączną ilością zieleni wokół nich mogą mieć bardzo różny uzysk. Pozycja na horyzoncie jest wszystkim.

Jest prosta zasada. Najpierw obejdź południową stronę miejsca. Jeśli coś tam sięga powyżej około 20 stopni elewacji, spodziewaj się realnej zimowej straty. Jeśli południowy horyzont jest czysty poniżej 10 stopni, miejsce jest prawdopodobnie dobre i możesz mniej martwić się bałaganem na północy oraz na dalekim wschodzie lub zachodzie.

• Łuk południowy (135 do 225 stopni): każdy stopień przeszkody tutaj kosztuje najwięcej, zwłaszcza zimą.
• Wschód i zachód (90 i 270 stopni): przeszkody kosztują poranne lub wieczorne światło, mniejszą i bardziej sezonową stratę.
• Północ (0 stopni): niemal nieistotna dla paneli w UE, bo słońce nigdy stamtąd nie świeci w użytecznych godzinach.

Jak mierzyli to profesjonaliści

Instalatorzy fotowoltaiki mierzą horyzont zacienienia od lat, bo wiedzą, że napędza on uzysk. Dwa narzędzia dominują w branży.

Solar Pathfinder to nisko zaawansowana klasyka. To polerowana przezroczysta kopuła umieszczona nad wydrukowanym wykresem drogi słońca dla twojej szerokości geograficznej. Drzewa i budynki wokół ciebie pojawiają się jako odbicia na kopule, a wszędzie tam, gdzie odbicie przecina łuk drogi słońca, ta godzina jest zacieniona. Ponieważ działa przez odbicie, a nie przez czekanie na rzeczywiste cienie, można go używać o każdej porze dnia w każdej pogodzie. Kosztuje mniej więcej 300 do 350 USD, ale dokładne odczytanie wymaga praktyki, a wynik jest tylko tak dobry jak operator.

Solmetric SunEye to cyfrowa wersja. Używa kamery typu rybie oko plus elektronicznego kompasu i inklinometru, by uchwycić panoramę 360 stopni, po czym automatycznie wykreśla linię nieba i nakłada drogi słońca, by obliczyć procent dostępu do słońca. Jest szybki i precyzyjny, eksportuje profil horyzontu i raport PDF. Jest też instrumentem profesjonalnym: SunEye 210 ma cenę około 2195 USD. Ta cena ma sens dla zapracowanego instalatora i żaden sens dla właściciela domu sprawdzającego jeden balkon.

Oba narzędzia dowodzą sedna: horyzont zacienienia warto porządnie zmierzyć. Barierą zawsze był koszt i umiejętność, a nie wartość.

Wprowadzanie horyzontu do obliczenia uzysku

Zmierzenie linii nieba to tylko połowa pracy. Druga połowa to zamienienie jej w liczbę kilowatogodzin, a darmowym standardowym narzędziem do tego w Europie jest PVGIS, prowadzony przez Wspólne Centrum Badawcze Komisji Europejskiej.

PVGIS już domyślnie uwzględnia horyzont. Odczytuje teren z cyfrowego modelu wysokościowego o rozdzielczości około 90 metrów (dane 3-sekundowe) i oblicza, jak odległe wzgórza i góry zacieniają każde miejsce. To uchwytuje ukształtowanie terenu. Czego nie widzi, to drzewo w twoim ogrodzie lub dom obok, bo są zbyt małe i zbyt lokalne dla siatki 90 metrów.

Tu wkracza twój własny pomiar. PVGIS pozwala wgrać własny plik horyzontu. Format jest prosty i ścisły: zwykły plik tekstowy lub CSV z jedną wartością elewacji na linię, podaną w stopniach, idącą zgodnie z ruchem wskazówek zegara zaczynając od północy. Wartości są zakładane jako równomiernie rozłożone wokół pełnego okręgu, więc 48 liczb oznacza jeden odczyt co 7,5 stopnia kierunku. Wgraj swój zmierzony horyzont zacienienia, a PVGIS przelicza uzysk z uwzględnieniem twoich rzeczywistych przeszkód, miesiąc po miesiącu, i pokazuje wysokość słońca w przesileniach czerwcowym i grudniowym, byś mógł zobaczyć zimowy problem bezpośrednio. Nagle oszacowanie odzwierciedla twoje miejsce, a nie wyidealizowane otwarte pole.

Solargis, PVsyst i inne profesjonalne pakiety przyjmują profile horyzontu w ten sam sposób. Pomiar jest przenośny. Uchwyć go raz, a możesz wprowadzić go do dowolnego kalkulatora, któremu ufasz.

Uchwycenie go telefonem, za darmo

Matematyka i kalkulatory są darmowe i publiczne od lat. Brakującym elementem był przystępny sposób zmierzenia linii nieba na miejscu, bez instrumentu za 2000 USD ani kopuły, której odczytanie wymaga szkolenia.

Nowoczesny telefon nosi już odpowiednie czujniki: kamerę, kompas i czujniki ruchu, które śledzą dokładnie, gdzie telefon jest skierowany. Rzeczywistość rozszerzona je łączy. Stajesz w dokładnym miejscu, na dachówce, balustradzie balkonu, kawałku ogrodu, i przesuwasz telefon po niebie. Aplikacja zapisuje kąt elewacji linii nieba w każdym kierunku w miarę ruchu, budując ten sam profil horyzontu, który zbudowałby SunEye, ze sprzętu, który już masz.

Właśnie to robi SunMeasure. Uchwytuje horyzont zacienienia w dokładnym miejscu, po czym łączy go z danymi o nasłonecznieniu dla lokalizacji z oficjalnych źródeł takich jak PVGIS, Global Solar Atlas, Copernicus CAMS, DWD i NASA POWER, by oszacować realistyczny uzysk i zasugerować najlepszy kąt nachylenia oraz orientację. Sedno nie tkwi jednak w aplikacji. Sedno to koncepcja. Narzędzia mapowe i satelitarne takie jak Project Sunroof lub kataster słoneczny modelują dach, ale nie widzą świerka sąsiada ani komina trzy metry dalej. Horyzont zacienienia to jedyne dane wejściowe, które uchwytuje tylko pomiar na miejscu, i często to właśnie różnica między dobrym a błędnym oszacowaniem.

Naucz się czytać linię między otwartym a zasłoniętym niebem, zwracaj największą uwagę na południe i pamiętaj, że zimowe słońce stoi nisko. Zrób to, a zrozumiesz jeden geometryczny fakt, który decyduje, czy miejsce warto okablować.