Nachylenie osi Ziemi w stosunku do orbity Ziemi wokół Słońca generuje zmianę pór roku, co wpływa na ilość energii słonecznej, docierającej do różnych obszarów Ziemi w ciągu roku. Do półkuli północnej najwięcej energii dociera latem, a najmniej zimą. Jest to spowodowane zmianą kąta nachylenia płaszczyzny Ziemi do kierunku padania promieni słonecznych oraz czasem nasłonecznienia (długością dnia), w którym promieniowanie słoneczne dociera do Ziemi. Nasłonecznienie zależy nie tylko od położenia na równoleżniku, ale także od zachmurzenia w danym regionie.

Moc promieniowania słonecznego zależy więc od pory dnia, pory roku oraz położenia geograficznego, w którym będzie ono mierzone ( Rys. 1 ).

Długość drogi przebytej przez promieniowanie słoneczne ( Rys. 2 ) w atmosferze zmienia się w zależności od położenia Słońca nad horyzontem. Zależność od pory roku związana jest z nachyleniem osi obrotu Ziemi względem płaszczyzny, po której porusza się Ziemia ( Rys. 1 ).
Zjawisko fotowoltaiczne jest nierozerwalnie związane ze źródłem energii, którym jest Słońce. Średnia moc dostarczana przez Słońce na granicę atmosfery ziemskiej wynosi \( 1362 \frac{W}{m^{2}} \) (stała słoneczna) [1], czyli na całą powierzchnię Ziemi pada około 175*1015 W mocy promieniowania słonecznego (energii w ciągu sekundy). Energia ta po przejściu przez atmosferę jest konwertowana w ogniwach fotowoltaicznych na energię elektryczną. Ilość energii docierającej do powierzchni Ziemi jest oczywiście różna w różnych obszarach geograficznych. Jest ona zwykle określana wielkością nasłonecznienia, czyli ilością energii promieniowania słonecznego padającego w jednostce czasu na jednostkę powierzchni. Jednostką nasłonecznienia (insolacji) jest \( \frac{W}{m^{2}} \) lub \( \frac{kWh}{m^{2} { rok}} \). Rozkład nasłonecznienia na kulę ziemską pokazano na Rys. 3.

Rysunek 3: Rozkład nasłonecznienia kuli ziemskiej z uwzględnieniem wpływu atmosfery ziemskiej. Rys. OpenStreetMap, licencja CC BY-SA 2.0, źródło: https://www.openstreetmap.org/copyright/en.

Przedstawione na Rys. 3 czarne kropki obejmują powierzchnię, która pokryta ogniwami fotowoltaicznymi o efektywności konwersji \( 8\% \) mogą wytworzyć 568 EJ energii ( \( EJ=10^18 J \)), co pokrywa całe zapotrzebowanie światowe na energię elektryczną [2], [3].
Instalacje fotowoltaiczne mocowane są zwykle w nachyleniu południowym. Wybiera się taki kąt nachylenia, aby ilość energii słonecznej docierającej do powierzchni ogniwa była maksymalna. Najlepszym rozwiązaniem byłoby, aby powierzchnia ogniwa podążała za ruchem Słońca, śledziła pozorny ruch Słońca po nieboskłonie (ustawiała płaszczyznę prostopadle do padającego promieniowania słonecznego). Układ nadążny generuje jednak dodatkowe koszty związane z umocowaniem, z napędem całego układu ogniw oraz jego konserwacją. Dlatego to rozwiązanie stosuje się rzadziej niż trwałe mocowanie paneli fotowoltaicznych.

Rysunek 4: Energia słoneczna docierająca do Europy na powierzchnię 1 metr kwadratowy w ciągu jednego roku. Nasłonecznienie powierzchni Europy z uwzględnieniem wpływu atmosfery ziemskiej (różne zachmurzenia w różnych obszarach). Rys. OpenStreetMap, licencja CC BY-SA 2.0, źródło: https://www.openstreetmap.org/copyright/en.

Na Rys. 4 przedstawiono kontury Europy [2], [3], a na Rys. 5 kontury Polski z naniesionym średnim nasłonecznieniem (moc promieniowania słonecznego przypadającą na jednostkę powierzchni poziomej) w latach 1994-2010 dla Europy i w latach 1994-2013 dla Polski [2], [3]. Natężenie koloru ilustruje wielkość nasłonecznienia, które zależne jest nie tylko od szerokości geograficznej (nie pokrywa się dokładnie z układem równoleżników), ale także od zachmurzenia, jakie występuje na danym obszarze.

Rysunek 5: Energia słoneczna docierająca do Polski na powierzchnię metra kwadratowego w ciągu jednego roku. Rys. OpenStreetMap, licencja CC BY-SA 2.0, źródło: https://www.openstreetmap.org/copyright/en.

Na Rys. 5 przedstawiono mapę Polski z zaznaczonym nasłonecznieniem (energia padająca na 1 m*m w ciągu roku w kWh/m2). Z mapy wynika, że nasłonecznienie w ciągu roku jest największe w południowo-wschodniej Polsce. Różnice w ilości energii w poszczególnych obszarach sięgają \( 30\% \), co musi być uwzględniane w rachunku ekonomicznym, szczególnie dla dużych instalacji fotowoltaicznych.
Wykresy przebiegu tarczy słonecznej po nieboskłonie określane są indywidualnie dla każdej lokalizacji i można je przedstawić używając programu PVSol (np. dla Krakowa na Rys. 6 ) (opracowanie własne). I tak, latem altitude w zenicie wynosi około \( 70_{}^{o}\textrm{} \), a zimą około \( 25_{}^{o}\textrm{} \), przy czym latem azymut zmienia się od około \( 60_{}^{o}\textrm{} \) do około \( 300_{}^{o}\textrm{} \). Natomiast, zimą słońce wschodzi, gdy azymut wynosi około \( 120_{}^{o}\textrm{} \), a zachodzi, gdy azymut wynosi około \( 240_{}^{o}\textrm{} \).

Podsumowując, do granicy atmosfery Ziemi dociera światło o natężeniu H=1,362 \( \frac{kW}{m^{2}} \) (tzw. stała słoneczna), zaś do powierzchni Ziemi dociera ok. \( 73\% \) tej wielkości.

Vosti Lublin, Wojewódzki Program Rozwoju Alternatywnych Źródeł Energii dla Województwa Lubelskiego – zob. http://vosti.pl/blog/naslonecznienie-polsce-a-panele-fotowoltaiczne/.