1.
Budowa elektrowni słonecznej
Własna elektrownia słoneczna to najpopularniejszy typ generatora prądu, który wykorzystuje odnawialne źródła energii (OZE). Zaletą systemu fotowoltaicznego jest brak niekorzystnego oddziaływania na otoczenie, jak ma to miejsce np. przy elektrowniach wiatrowych, rozsądny koszt budowy instalacji, który może zwrócić się w okresie od kilku do kilkunastu lat, a także ogólny dostęp do podzespołów oraz firm instalatorskich i możliwość montażu niemal na każdym obiekcie lub w jego otoczeniu.
Elektrownia słoneczna połączona z siecią elektroenergetyczną (on-grid) składa się z:
- Generatorów, czyli paneli fotowoltaicznych
- Optymalizatorów (opcjonalnie)
- Falownika 1-fazowego lub 3-fazowego
- Okablowania i złącz
- Rozdzielni z układem zabezpieczeń
- Licznika dwukierunkowego
Elektrownia słoneczna niezależna, wyspowa (off-grid) składa się z:
- Generatorów, czyli paneli fotowoltaicznych
- Optymalizatorów (opcjonalnie)
- Kontrolera ładowania
- Akumulatora – magazynu energii
- Okablowania i złącz
- Przetwornicy lub odbiorników niskonapięciowych
Elektrownia słoneczna hybrydowa składa się z:
- Generatorów, czyli paneli fotowoltaicznych
- Optymalizatorów (opcjonalnie)
- Falownika hybrydowego (on-grid / off-grid)
- Układu odłączania sieci energetycznej
- Okablowania i złącz
- Rozdzielni z układem zabezpieczeń
- Akumulatora – magazynu energii
- Licznika dwukierunkowego
2.
Generatory – Panele fotowoltaiczne
Panel fotowoltaiczny przeznaczony jest do przetworzenia energii promieniowania słonecznego na prąd elektryczny. W zależności od technologii budowy i jakości panela jego skuteczność wynosi aktualnie od kilkunastu do ponad 20%. W zdecydowanej większości, panele stosowane w systemach elektrowni fotowoltaicznych oparte są o moduły krzemowe I generacji: polikrystaliczne i monokrystaliczne.
Płytki krzemowe połączone są elektrycznie i szczelnie zamknięte są w panelach jedno lub dwuszybowych z ramą aluminiową tworząc element przeznaczony do montażu końcowego na konstrukcji obiektu. Posiadają tabliczkę znamionową określającą model i parametry techniczne oraz złącza elektryczne.
Panele polikrystaliczne o lekko niebieskawej barwie modułów wykonanych z złącz krzemowych w kształcie prostokąta, są nieco tańsze w produkcji lecz posiadają też mniejszą wydajność. Aktualnie już rzadko stosowane.
Panele monokrystaliczne czarne, produkowane w innym procesie technologicznym. Choć nieco droższe od paneli polikrystalicznych, posiadają znacząco wyższą sprawność. Są też nieco bardziej czułe na zmiany temperatury. Aktualnie podstawowy typ modułów do budowy elektrowni słonecznych.
3.
Optymalizator
Optymalizator służy do maksymalnego wykorzystania energii dostarczanej z słońca do panela fotowoltaicznego w celu zapewnienia jego największej wydajności w całym systemie elektrowni słonecznej. Szczególnie sprawdza się w sytuacji, gdzie 1 lub część paneli może zostać zacienionych przez obiekty dachowe, np. komin lub obiekty z otoczenia elektrowni słonecznej jak drzewa czy inne budynki.
Brak optymalizatorów powoduje, że w szeregowym układzie, zacienienie jednego modułu PV osłabia generowanie energii dla całego łańcucha. Niektóre modele optymalizatorów oferują dużo więcej możliwości, m.in. informacje o produkcji energii przez konkretne panele fotowoltaiczne lub zabezpieczenie systemu przy rozwarciu obwodu przez obniżenie napięcia do wartości bezpiecznych. Należy pamiętać, że podczas pracy łańcuchy paneli słonecznych generują napięcia o wartościach rzędu kilkuset Volt, nawet do 1000V !
4.
Falownik (Inwerter)
Zadaniem falownika jest przetworzenie prądu stałego z paneli fotowoltaicznych o napięciu łańcucha sięgającym nawet do 1000V DC, do poziomu napięcia przemiennego sieci elektroenergetycznej 1-fazowej 230V AC lub 3-fazowej 400V AC oraz synchronizacja częstotliwości z siecią elektryczną. Takie podłączenie instalacji zapewnia buforowanie energii elektrycznej w sieci elektroenergetycznej oraz umożliwia odbiór wytworzonego prądu w późniejszym terminie.
Możliwe jest również buforowanie energii w akumulatorach dzięki zastosowaniu falowników wyspowych (off grid). Rozwiązanie to stosuje się w miejscach odciętych od sieci elektrycznej, np. w domkach letniskowych, przyczepach kempingowych, itp. Zaletą tego rozwiązania jest dostęp do wytworzonej energii niezależnie od sieci energetycznej. W przypadku falowników podłączonych na stałe z siecią energetyczną (on grid), odłączenie zasilania sieci powoduje wyłączenie falownika.
Dobór falownika uzależniony jest nie tylko od mocy budowanej elektrowni słonecznej ale również od sposobu wykonania instalacji i komunikacji pomiędzy elementami systemu. Niektóre modele falowników wymagają stałej komunikacji z optymalizatorami dołączonymi do paneli fotowoltaicznych.
Współczesne modele falowników w systemach mikro i małych elektrowni słonecznych to najczęściej urządzenia beztransformatorowe. Mogą być montowane wewnątrz pomieszczeń, oraz w wielu przypadkach również na zewnątrz (klasa szczelności IP65).
5.
Okablowanie i złącza
System elektrowni słonecznej pracuje przy wysokich napięciach stałych do 1000V. Wymaga to stosowania odpowiednio wytrzymałych przewodów i złącz hermetycznych o odporności izolacji na wysokie napięcie, a także takich, które zapewnią długoletnią sprawność i niskie straty podczas przesyłu energii z paneli fotowoltaicznych do falownika.
6.
Licznik dwukierunkowy
Zadaniem licznika dwukierunkowego jest przeliczenie przesłanej energii elektrycznej zarówno z sieci elektroenergetycznej do instalacji domowej użytkownika jak również rozliczenie wytworzonej w elektrowni słonecznej energii i przesłanej do sieci elektroenergetycznej. Jeśli wytwarzana w własnej elektrowni fotowoltaicznej energia wykorzystywana jest na bieżąco, to jedynie jej nadmiar wysyłany jest do sieci. Jeśli w gorszych warunkach pogodowych energia wytwarzana w panelach słonecznych nie jest wystarczająca na zaspokojenie potrzeb użytkownika, to część energii pokrywana jest z sieci elektroenergetycznej. W godzinach nocnych użytkownik odbiera energię, którą nadprodukował i przesłał do sieci w okresie wysokiego nasłonecznienia paneli fotowoltaicznych. Okres odbioru wyprodukowanej energii sięga 365 dni, zatem wyprodukowany nadmiar w miesiącach wiosenno – letnich i wczesno jesiennch może następować w zimie, gdy słońce znacznie krócej dostarcza energię do paneli fotowoltaicznych.
Za magazynowanie energii w sieci elektroenergetycznej zakład energetyczny obiera prowizję od prosumenta od wyprodukowanej energii w mikroinstalacjach o proporcjach:
- 1 : 0.8 dla instalacji <10kW
- 1 : 0.7 dla instalacji >10kW
Zatem posiadając elektrownię słoneczną o mocy maksymalnej 8kW i przesyłając do sieci 100kWh wyprodukowanej energii możemy odebrać 80kWh energii. Pozostałe 20kWh pozostaje dla zakładu energetycznego jako prowizja od przechowywanie naszej energii.
7.
Przygotowanie i montaż instalacji fotowoltaicznej
Zadaniem profesjonalnej firmy instalatorskiej jest:
- określenie mocy systemu fotowoltaicznego dla obiektu na podstawie jego zapotrzebowania na energię elektryczną,
- montaż podzespołów, obejmujący solidną i bezpieczną konstrukcję elementów zewnętrznych oraz wewnętrznych,
- połączenie podzespołów zapewniające bezpieczeństwo obiektu i użytkowników oraz wysoką sprawność pracy systemu,
- uruchomienie elektrowni słonecznej przez synchronizację falownika z siecią elektroenergetyczną oraz siecią komputerową użytkownika
- dokonanie niezbędnych formalności związanych z zgłoszeniem systemu fotowoltaicznego w celu rozliczeń z zakładem energetycznym
- możliwość przygotowania dla klienta korzystnej oferty finansowej rozliczenia systemu z firmą instalatorską,
- Zapewnienie gwarancji i serwisu dla zbudowanej elektrowni słonecznej.
Niezbędne informacje dotyczące wykonania instalacji fotowoltaicznej, zastosowanych podzespołów, gwarancji i kosztów, zawarte są w umówię pomiędzy Klientem, a Polską Energią Sp. z o.o. Sp.k.
8.
Teoria, czyli ile energii ze Słońca produkuje moduł fotowoltaiczny
Powszechnie dostępne moduły fotowoltaiczne osiągają sprawności na poziomie dwudziestu kilku procent. Co to oznacza ? Jeśli przyjmiemy w pewnym zaokrągleniu, że promieniowanie słoneczne docierające do ziemi osiąga 1000W/m2, to moduł o sprawności 20% umożliwi uzyskanie 200W z każdego m2 powierzchni modułów. W teorii zatem, moduł PV o popularnych wymiarach 170x100cm i sprawności 20% uzyska moc nominalną 340W. Jest to wynik bardzo ogólnikowy i wystąpi w specjalnych warunkach opisywanych jako STC.
Co to są warunki STC ?
Skuteczność modułu PV w dużym stopniu zależna jest od warunków w jakim się on znajduje. Aby usystematyzować wyniki pomiarów dla różnych modułów i móc podawać je jako nominalne, dla wykonania testu muszą być spełnione precyzyjnie określone warunki:
- Temperatura modułu PV podczas testu wynosi 25°C,
- Natężenie promieniowania słonecznego to 1000W/m2
- Promienie słoneczne przechodzące przez atmosferę o grubości 1,5 (AM1,5)
Jaką moc mogą osiągnąć moduły fotowoltaiczne w kosmosie ?
O ile na Ziemi maksymalne wartości natężenia światła słonecznego osiągają około 1000W/m2 , to w górnych warstwach atmosfery osiągają one 1366W/m2 , więc moduł o standardowych wymiarach 170x100cm i sprawności 20% przy temperaturze jego powierzchni 25°C, uzyska moc nominalną ponad 460W (na ziemi 340W). Pamiętajmy, że górna granica atmosfery Ziemi to nie kosmos w każdym jego miejscu. Jak podaje portal pveducation.org, średnie wartości natężenia promieniowania, bezpośrednio zależą od odległości do Słońca i osiągają średnie wartości jak w poniższej tabeli:
| Planeta | Odległość od Słońca (x 109 m) | Średnie natężenie promieniowania słonecznego (W/m2) |
|---|---|---|
| Merkury | 57 | 9116.4 |
| Wenus | 108 | 2611.0 |
| Ziemia | 150 | 1366.1 |
| Mars | 227 | 588.6 |
| Jowisz | 778 | 50.5 |
| Saturn | 1426 | 15.04 |
| Uran | 2868 | 3.72 |
| Neptun | 4497 | 1.51 |
| Pluton | 5806 | 0.878 |
Dlaczego moc paneli słonecznych podawana jest w jednostkach Wp, a nie W (Wat) ?
Jednostka W – Wat, to jednostka mocy, która w przypadku modułów PV określa moc generowaną w danym momencie.
Jednostka Wp – Watt peak, to jednostka mocy szczytowej (maksymalnej), która w przypadku modułów PV określa moc generowaną w warunkach STC.
W rzeczywistości Watt peak, jest jednostką czysto teoretyczną określającą wartość mocy w warunkach laboratoryjnych na potrzeby tzw. flash testów.
Czy nasz moduł fotowoltaiczny może osiągnąć moc nominalną ?
Aby odpowiedzieć na to pytanie należy zapoznać się z charakterystykami prądowo napięciowymi modułów, oraz ich zależnościami od parametrów środowiskowych, w jakich się znajdują. Jak się okazuje moduł PV w pewnych warunkach nie tylko może osiągnąć wartości nominalne, ale również wyższe, niż podawane w warunkach STC.
Natężenie promieniowania słonecznego, a nasłonecznienie