FOTOWOLTAIKA
Co to jest fotowoltaika?
Fotowoltaika jest dziedziną nauki, zajmującą się przetwarzaniem światła słonecznego na energię elektryczną. Instalacja fotowoltaiczna składa się z paneli fotowoltaicznych, licznika dwukierunkowego oraz falownika. Jakie zadanie ma falownik w procesie przekształcania promieni słonecznych na energię? Falownik to urządzenie, które zamienia prąd stały na prąd przemienny, który możemy wykorzystać w swoim domu.
Do czego służy fotowoltaika?
Instalacja fotowoltaiczna ma za zadanie pozyskać energię z promieni słonecznych. Jest to prawdopodobnie najprostsza forma wytwarzania energii elektrycznej polegająca na zjawisku konwersji promieniowania słonecznego w prąd stały za pomocą paneli fotowoltaicznych. Następnie wygenerowany prąd trafia do inwertera (falownika), gdzie następuje jego przekształcenie w prąd zmienny, który może zasilać Twój cały dom. Nadwyżki wyprodukowanej energii trafiają do sieci i mogą później zostać wykorzystane przez konsumenta.
Do czego służy inwerter?
Inwerter jest niejako lokomotywą dla całego systemu fotowoltaicznego . Przetwarza wyprodukowany prąd stały z paneli na prąd zmienny, który mamy w gniazdkach – i to wszystko. Sporo osób wyobraża sobie, że fotowoltaika to jakieś złożone urządzenia, a tak naprawdę to te trzy elementy. Panele są połączone jednym kablem z inwerterem, który wpięty jest do sieci elektrycznej w domu. Inwerter, na który niektórzy mówią też zamiennie falownik, montowany jest w miejscu, gdzie jest możliwość wpięcia się do sieci, czyli gdzieś przy bezpiecznikach czy gnieździe siłowym. Najczęściej to jakiś garaż, piwnica czy pomieszczenie gospodarcze.
Od czego zależy moc instalacji fotowoltaicznej?
Moc instalacji fotowoltaicznej jest zależna od kilku czynników: wielkości dachu lub wielkości wolnego gruntu, ekspozycji powierzchni dachu względem słońca, kąta nachylenia dachu, zacienień. Jeżeli warunki są mniej sprzyjające, np. występuje zacienienie lub dach skierowany jest na wschód i zachód, to należy dobrać większą moc instalacji, aby pokryła ona określone zapotrzebowanie na energię elektryczną.
Rynek OZE rozwija się dość dynamicznie, a ilość mocy zainstalowanej w systemach fotowoltaicznych w Polsce i na świecie ma tendencję wzrostową. Niewątpliwie ma na to wpływ przede wszystkim Unia Europejska i jej wymogi stawiane wobec Polski.
Budowa paneli fotowoltaicznych
Panele fotowoltaiczne zbudowane są z połączonych ze sobą wielu modułów, które to składają się z ogniw fotowoltaicznych (fotoogniw). Ich działanie można wytłumaczyć w prosty sposób. Pod wpływem oddziaływującego na nie promieniowania słonecznego generują one napięcie elektryczne z wykorzystaniem zjawiska fotowoltaicznego. Polega ono na tworzeniu nośników ładunku elektrycznego w wyniku absorpcji promieniowania słonecznego przez półprzewodnik. Prowadzi to do przepływu prądu stałego proporcjonalnego do mocy promieniowania padającego na ogniwo. Fotoogniwa produkowane są z materiałów półprzewodnikowych np.: krzemu (Si), germanu (Ge) czy selenu (Se). Wyróżnia się trzy generacje ogniw fotowoltaicznych:
I generacja – ogniwa monokrystaliczne (sc-Si), polikrystaliczne (mc-Si), ogniwa wielozłączowe (mj-cells), które stosowane są w technice kosmicznej;
II generacja – ogniwa cienkowarstwowe wykonane z tellurku kadmu (Cd-Te), ogniwa cienkowarstwowe wykonane z mieszaniny półprzewodników (miedzi, indu, falu, selenu – CIGS), ogniwa cienkowarstwowe z krzemu amorficznego (a-Si);
II generacja – ogniwa barwnikowe, działające na zasadzie sztucznej syntezy (DyeSensitized Solar Cells – DSSC).
Moduł fotowoltaiczny umieszcza się w stalowej lub aluminiowej ramie, składającej się też z uszczelnionych hermetycznie szyb ochronnych. Mają one za zadanie chronić ogniwa przed uszkodzeniami mechanicznymi i wpływem środowiska. Dodatkowo ogniwa umieszczane są pomiędzy warstwami folii PET i EVA co również zapewnia hermetyczną ochronę.
Przy typowym zastosowaniu systemów fotowoltaicznych do zasilania budynków mieszkalnych lub do współpracy z siecią energetyczną panele zbudowane są od jednego do kilkunastu modułów fotowoltaicznych, które połączone są ze sobą szeregowo. Dzięki temu tworzą one tzw. łańcuch, który zwiększa sumaryczne napięcie. Można też zastosować równoległe połączenie modułów, tworzące macierz fotowoltaiczną.. Uzyskuje się wtedy wysoką wartość prądu wyjściowego.
Systemy fotowoltaiczne można zastosować w dwóch układach: on-grid i off-grid. Systemy on-grid połączone są z istniejącymi sieciami energetycznymi, niezależnie od zapotrzebowania energetycznego obiektu, na którym są zainstalowane. Energia, która zostanie wytworzona za pomocą paneli fotowoltaicznych w tym systemie wprowadzana jest do sieci energetycznej. Umożliwia to sprzedaż wyprodukowanej w nadmiarze energii elektrycznej. Układy typu off-grid są całkowicie samodzielnymi, autonomicznymi źródłami energii. Nie wymagają podłączenia do linii elektrycznej. Przy pracy tych systemów stosuje się akumulatory jako dodatkowe bufory energii. Magazynują one nadwyżki wytworzonej energii i zwiększają efektywność całego systemu.
Czy warto przewymiarować falownik?
1.Wzór na obliczenie stosunku mocy modułów do mocy falownika.
moc pola modułów
stosunek mocy SM = * sprawność falownika [%]
nominalna moc AC falownika
SM < 100% – falownik niedociążony – moc nominalna modułów jest mniejsza niż moc nominalna falowników.
SM=100% – falownik obciążony mocą nominalną
SM<100% – falownik przeciążony po stronie DC – moc nominalna modułów jest większa niż moc nominalna falownika.
DC – prąd stały
AC- prąd zmienny
Wartość SM dla instalacji skierowanych na południe powinna znajdować się w przedziale pomiędzy 80 – 125%. W przypadku instalacji Wschód-Zachód zakres SM może być większy, nawet
do 160% i zależy od nachylenia dachu.
Dlaczego warto zastosować mniejszy falownik(SM>100%).
Ilość słonecznych godzin w Polsce wynosi ok. 1600, z czego 15% to pełne nasłonecznienie. Przy natężeniu promieniowania wynoszącym 1000 W/m2 moduły Pv nagrzewają się powyżej 25*C. Z tego powodu ich moc obniża się o 15 – 20% względem mocy nominalnej. Moduły wytwarzają energię z mocą nominalną przez kilkanaście, kilkadziesiąt godzin w roku, zaś w pozostałych okresach wytwarzana przez nie moc jest znacznie niższa. Jest to jeden dla których zalecaną wartością SM jest wariant >100%.
Jeżeli by zastosować falownik o mocy większej niż moc modułów (SM < 100%) będzie on permanentnie niedociążony. Gdyż lepsze działania uzyskuje się przy obciążeniu powyżej 10% mocy nominalnej co będzie powodować dodatkowe straty. Przy zastosowaniu większego falownika w celu rozbudowy instalacji starty przy SM = 80% wyniosą zaledwie około 0,3%, więc jeżeli podejmie się decyzję o zastosowaniu tego właśnie falownika nie powinno się zbytnio martwić stratami gdyż nie są one duże.
3.Przykłady działania
- Zakładając, że mamy moduły i falownik dobrane ze stosunkiem mocy SM = 98%,20 modułów o mocy 300Wp, co daje 6 kWp oraz falownik o mocy nominalnej 6kW i sprawności przetwarzania DC/AC = 98%. Jeżeli pojawią się warunki STC (1000W/m², AM = 1.5 oraz temperatura ogniw 25°C), falownik całą moc modułów przekaże na stronę AC.
- W przypadku gdy moc modułów będzie większa niż moc nominalna falownika, a warunki pogodowe będą sprzyjać generacji energii, falownik nie będzie przetwarzał więcej energii, niż wynosi jego moc maksymalna, a jej nadmiar nie będzie odbierany z modułów. Przykładowo, jeżeli zamiast falownika 6,0 kW zastosujemy falownik o mocy nominalnej 5 kW, stosunek mocy wyniesie wówczas: (6,0 kWp / 5,0 kW) • 98% = ~118%. W takiej sytuacji falownik obetnie nadwyżkę mocy ze strony DC i przekaże do sieci maksymalnie 5,0 kW. Oczywiście, tę nieodebraną z modułów energię należy potraktować jako stratę.
Warunki STC(warunki standardowe) zdarzają się rzadko. Dlatego producenci podają również w swoich kartach parametry modułu w warunkach NOCT (warunki znamionowe). Są one bardziej zbliżone do uśrednionych warunków pogodowych: natężenie promieniowania 800 W/m², temperatura otoczenia 20 °C, prędkość wiatru 1,5 m/s. Moc modułów w takich warunkach może być nawet o 30% mniejsza niż ich moc nominalna. Wówczas mniejszy falownik jest po prostu lepiej wykorzystany.
Czy możliwe jest zastosowanie SM = 150% lub nawet 200%? Można, ale nie w każdej sytuacji. Jeśli zrobilibyśmy tak duże przewymiarowanie w przypadku instalacji skierowanej na południe, straty energii będą pojawiać się praktycznie każdego słonecznego dnia i mogą one sięgnąć nawet 15% w ciągu roku. Ale w przypadku instalacji wschód–zachód taki stopień przewymiarowania może być korzystny.
