Google+

Instalacje fotowoltaiczne są oparte najczęściej o jeden z dwóch podstawowych rodzajów modułów – mono- lub polikrystalicznych. Wybór należy uzależnić m.in. od projektu instalacji, jej wielkości, pożądanej mocy oraz oczywiście – od możliwości finansowych inwestora. Podpowiadamy, czym różnią się poszczególne rozwiązania oraz jak dobrać komponenty systemu.

Fot. 1. Popularne na zachodzie Europy farmy fotowoltaiczne coraz częściej powstają również nad Wisłą. Fot.: Electricom EngineeringFot. 1. Popularne na zachodzie Europy farmy fotowoltaiczne coraz częściej powstają również nad Wisłą. Fot.: Electricom Engineering

Fotowoltaika to, najprościej mówiąc, metoda polegająca na przetwarzaniu promieniowania słonecznego na energię elektryczną, wykorzystująca do tego efekt fotowoltaiczny. W skrócie główne elementy układu to inwertery oraz moduły (czasami nazywane panelami) fotowoltaiczne. Moduł fotowoltaiczny generuje napięcie i natężenie prądu stałego, stanowi swego rodzaju układ pojedynczych ogniw fotowoltaicznych.

Monokrystaliczne

W ogniwach fotowoltaicznych stosuje się trzy rodzaje krzemu. Za najlepszy jakościowo uznaje się krzem monokrystaliczny. Charakteryzuje się on najwyższymi sprawnościami (średnio ok. 17-18%) i stosunkowo niskim współczynnikiem spadku wydajności wraz ze wzrostem temperatury. Jednorodne rozmieszczenie atomów w materiale pozwala na efektywny przepływ elektronów. Moduły monokrystaliczne wyróżnia ponadto niższy spadek sprawności wraz z użytkowaniem niż np. w polikrystalicznych. Poznamy je po ciemnoniebieskiej, czasami nawet czarnej barwie.

Czy polikrystaliczne?

Fot. 2. Przy wyborze pod uwagę bierzemy
m.in. dostępną powierzchnię,
charakterystykę
miejsca montażu
i jego otoczenia. Fot.: Caldoris PolskaFot. 2. Przy wyborze pod uwagę bierzemy m.in. dostępną powierzchnię, charakterystykę miejsca montażu i jego otoczenia. Fot.: Caldoris Polska

Z kolei moduły polikrystaliczne osiągają nieco niższe sprawności – do 15%. Z drugiej strony instalacje fotowoltaiczne oparte na tej technologii są tańsze, z uwagi na łatwiejszą produkcję. Tym samym są bardzo popularne (szacuje się, że prawie 50% zainstalowanych modułów opartych jest na krzemie polikrystalicznym). Krzem polikrystaliczny nie ma już tak jednorodnej struktury, składa się z małych kryształków lub ziaren, przepływ elektronów pomiędzy atomami nie jest już tak idealny. O ile więc w moduły monokrystaliczne warto zainwestować przede wszystkim przy ograniczonej powierzchni (połaci, działki), o tyle moduły polikrystaliczne będą dobrym rozwiązaniem przy większym dachu – wtedy niższą sprawność zrekompensuje nam większa ilość modułów. Tego rodzaju urządzenia mają zazwyczaj jasnoniebieską barwę, często widoczne są też krawędzie kryształów.
Jednym z rodzajów modułów polikrystalicznych są układy multikrystaliczne – popularne na rynku za sprawą dobrych parametrów technicznych i całkiem atrakcyjnej ceny. Dostępne są również ogniwa krzemowe produkowane w technologii taśmowej, których sprawność jest gorsza od multikrystalicznych – są jednak od nich tańsze.

Cienkowarstwowe, amorficzne

Należy wspomnieć również o krzemie amorficznym, czyli panelach cienkowarstwowych (zbudowanych z cieniutkich ogniw). Co prawda, materiał nie ma już budowy krystalicznej (brak jest wyróżniających się ogniw, materiał tworzy zwartą formację o barwie od ciemnobordowej do czarnej) i zawiera znaczną ilość defektów strukturalnych, jednak jego zastosowanie jest bardzo opłacalne – jest stosunkowo tani.
W porównaniu do rozwiązań krzemowych charakteryzuje się niskim wskaźnikiem sprawności. Zaletą modułów amorficznych jest z kolei bardzo niski wskaźnik spadku mocy wraz ze wzrostem temperatury – z tego powodu niejednokrotnie wykorzystuje się zamiast nich moduły hybrydowe, oparte na połączonych ogniwach krzemu amorficznego i mikrokrystalicznego. Dzięki temu uzyskuje się poprawę sprawności oraz zwiększenie wydajności w słabych warunkach oświetlenia.
Moduły amorficzne częściej niż w standardowych instalacjach wykorzystuje się w systemach fotowoltaicznych zintegrowanych z budownictwem, czyli np. specjalnych fasadach pozyskujących promieniowanie świetlne i pozwalających na produkcję prądu. Są dość lekkie i elastyczne, dzięki czemu nie potrzebują dodatkowych wzmocnień czy ramy. Charakteryzują się jednak stosunkowo krótką żywotnością – ok. 10 lat.
Oprócz tego na rynku znajdziemy urządzenia, w których rolę materiału półprzewodnikowego pełni mieszanka miedzi, indu, galu i selenu bądż miedzi, indu i selenu lub tullerek kadmu – wyróżniają się dość umiarkowaną sprawnością.

Fot. 3. Przykład montażu na płaskiej
połaci. Fot.: Electricom EngineeringFot. 3. Przykład montażu na płaskiej połaci. Fot.: Electricom Engineering

Jak wybrać?

Jaka technologia będzie więc odpowiednia do danej inwestycji? Pod uwagę musimy wziąć dostępną powierzchnię, charakterystykę miejsca montażu i jego otoczenia, sprawność oraz moc, jaką musi mieć system. Ogniwa monokrystaliczne sprawdzą się przy mocach 150-180 W na jeden panel fotowoltaiczny (tzn. zestaw umocowanych wzajemnie modułów), a polikrystaliczne są stosowane najczęściej przy mocach do 150-180 W na panel. Według wyliczeń producentów w standardowej powierzchni 1 m x 1,7 m panel polikrystaliczny ma moc ok. 250 W, z kolei monokrystaliczny – ok. 280 W. Najbardziej wydajne moduły wykonane w zaawansowanej technologii osiągają sprawność ponad 21% i przy takiej powierzchni osiągają moc nawet 345 W.
Ponadto przed doborem poszczególnych parametrów systemu i montażem należy sprawdzić, czy połać dachowa jest skierowana maksymalnie na południe oraz czy żadne inne obiekty na działce lub sąsiednie budynki nie będą zacieniać powierzchni modułów. W instalacjach fotowoltaicznych świetnie sprawdzają się dachy o nachyleniu 30-40 st., jednak systemy montowane na połaci płaskiej lub na gruncie wykorzystują specjalne podpory, ramy montażowe. Odpowiednie nachylenie i ukierunkowanie sprawia, że generatory uzyskują najlepsze nasłonecznienie w skali roku.

Fot. 4. Jeśli nie chcemy obciążać połaci dachowej, panele fotowoltaiczne możemy zamontować
na gruncie. Fot.: Electricom EngineeringFot. 4. Jeśli nie chcemy obciążać połaci dachowej, panele fotowoltaiczne możemy zamontować na gruncie. Fot.: Electricom Engineering

EKSPERT Fachowego Elektryka
Parę słów o kosztach

Ireneusz Wiecha, specjalista ds. fotowoltaiki
Caldoris PolskaIreneusz Wiecha
specjalista ds. fotowoltaiki Caldoris Polska

Najbardziej powszechnie stosowaną technologią ogniw fotowoltaicznych jest technologia krzemu poli i monokrystalicznego. Jednocześnie zakup modułów stanowi największy koszt instalacji całego zestawu fotowoltaicznego w domu jednorodzinnym. Ich udział procentowy w kosztach instalacji zależy w dużej mierze od jej wielkości – przy małych instalacjach w stosunku procentowym moduły PV będą stanowić około 40% całości kosztów, w większych będzie się to rozkładało i dochodziło nawet do 50%. Jeśli chodzi o rodzaje paneli PV, droższe są moduły monokrystaliczne w porównaniu z polikrystalicznymi, jest to spowodowane wyższymi kosztami produkcji oraz lepszą sprawnością. Przykładowa różnica kosztów wynosi około 200 zł w zależności od producenta.
Jeśli chodzi o koszty eksploatacyjne to są dość trudne do oszacowania – ich wielkość uzależnia się od jakości komponentów. Kolejnym punktem na liście kosztów jest falownik, zazwyczaj jego koszt stanowi 25% ogółu kosztów. W tym przypadku zasada jest bardzo prosta – wraz ze wzrostem mocy, procentowy koszt inwerterów może spaść do poziomu 15%.
Ostatnim punktem są systemy montażowe - tu podział zaznacza się w jasny sposób, najtańsze są systemy montażowe na dach skośny, znacznie drożej wychodzą na dach płaski lub grunt; różnica może wynosić nawet 50%.
Pierwsze koszty pozakupowe związane są z przeglądami (co najmniej raz na 5 lat) i wahają się w przedziałach kilkuset złotych.
Z kolei uzysk energetyczny instalacji fotowoltaicznej zależy przede wszystkim od warunków atmosferycznych, w których będzie ona pracowała. Na obszarze Polski średnie wartości rocznego nasłonecznienia w zależności od regionu wahają się od 1000 do 1160 kWh/m².
Istotnym parametrem z punktu widzenia ekonomiki inwestycji jest oczywiście ilość energii elektrycznej, którą instalacja fotowoltaiczna produkuje w jednostce czasu. Średnia roczna produkcja instalacji fotowoltaicznej zbudowanej z modułów z krzemu polikrystalicznego w zależności od obszaru Polski waha się od 930 do 980 kWh/1 kWp.
Możemy rozpatrzyć ekonomikę na przykładzie małej instalacji PV zainstalowanej w domu jednorodzinnym. Poniższy wykres przedstawia symulację rocznych przychodów wygenerowanych przez instalację o mocy 4 kW.

Wykres przedstawia przychody generowane przez instalacje
fotowoltaiczną o mocy 4 kW.

Wykres przedstawia przychody generowane przez instalacje fotowoltaiczną o mocy 4 kW. Przykład dla instalacji zakupionej w programie Prosument 40% + kredyt 1% na 15 lat oraz przy 50% wykorzystaniu energii z PV na własne potrzeby. Łatwo zaobserwować, że już od 3 roku instalacja zaczyna zarabiać dla nas pieniądze.
Instalacja fotowoltaiczna zbudowana z modułów krzemu polikrystalicznego to inwestycja na okres co najmniej 25 lat. Jest to okres, w którym producenci modułów gwarantują sprawność ogniw na poziomie niemniejszym niż 80% mocy początkowej w ostatnim roku. Uwzględniając wyżej przytoczone parametry ekonomiczne zwrot z inwestycji w instalację fotowoltaiczną z dofinansowaniem, przy założeniu zużycia na potrzeby własne na poziomie 99% wynosi około 6-8 lat.

Konfiguracja komponentów systemu

Ogniwa fotowoltaiczne, czyli podstawowe jednostki składowe modułów, pod wpływem promieniowania słonecznego podlegają efektowi fotowoltaicznemu. Powstały w ten sposób prąd stały zostaje następnie przekształcony przez inwerter (inaczej falownik) na prąd zmienny o parametrach, które pozwalają na jego wykorzystanie w sieci publicznej. Aby prawidłowo dobrać inwerter do danego generatora fotowoltaicznego oraz skonfigurować długość przyłączanych do niego łańcuchów, należy określić przede wszystkim moc całkowitą generatora fotowoltaicznego oraz liczbę modułów fotowoltaicznych. Jeśli w projekcie mamy zaznaczoną moc, jaką osiągnąć powinna instalacja, to wyliczamy liczbę modułów, jaką należy zamontować, aby uzyskać dane parametry. W innym wypadku przemnażamy liczbę modułów możliwych do zainstalowania w danych warunkach przez ich moc nominalną.
Jednocześnie bierzemy pod uwagę specyfikę inwestycji, tzn. powierzchnię dachu/gruntu (czy na pewno ta liczba modułów zmieści się w dostępnym miejscu?) oraz elementy, które mogłyby zaciemnić instalację fotowoltaiczną, jak kominy, drzewa czy inne budynki.

Fot. 5. Monokrystaliczne, polikrystaliczne czy amorficzne? Różnią się pomiędzy sobą
parametrami technicznymi i sprawnością. Fot.: Caldoris PolskaFot. 5. Monokrystaliczne, polikrystaliczne czy amorficzne? Różnią się pomiędzy sobą parametrami technicznymi i sprawnością. Fot.: Caldoris Polska

Po określeniu mocy generatora oraz liczby modułów, musimy dobrać moc inwertera lub inwerterów. Najczęściej ustala się ją na poziomie 85 – 100% mocy generatora, nie możemy jednak zapomnieć m.in. o ograniczeniach związanych z ekspozycją modułów (w przypadku, gdy inwestor dysponuje ograniczoną powierzchnią dachu lub działki bądź możliwe jest tylko niezbyt korzystne ukierunkowanie elementów instalacji) i warunkami atmosferycznymi, zależnymi m.in. od regionu (skrajne temperatury mają wpływ na napięcie generowane przez moduły). W związku z tym zaleca się ustalenie mocy inwertera na 10 lub 15% niższą niż wynikałoby z obliczeń.
Kolejnym etapem dla dobrania mocy inwertera jest ustalenie, ilu trakerów MPP będzie potrzebowała instalacja – najczęściej wystarczą 2, aby odpowiednio skonfigurować moduły z jednym inwerterem. Następnie określamy zakres napięć trakera (im szerszy, tym mamy większą swobodę w konfiguracji inwertera) oraz napięcie minimalne i maksymalne inwertera. Szczególnie ważny jest ten ostatni etap: zbyt niskie napięcie urządzenia wyklucza jego zastosowanie, a zbyt wysokie może spowodować uszkodzenia. Ponadto przy zbyt niskim napięciu praca inwertera będzie niestabilna.
Po określeniu mocy generatora, liczby modułów oraz ustaleniu parametrów inwertera, musimy dobrać długość łańcuchów. Pod uwagę bierzemy zakres napięć MPP trakera inwertera oraz napięcia MPP modułu, a także specyfikę połaci dachowej. Następnie poszczególne łańcuchy przypasowujemy do danych wejść DC inwertera.

EKSPERT Fachowego Elektryka
Montaż instalacji fotowoltaicznej

Izabela Kędroń, kierownik działu
handlowego
Electricom EngineeringIzabela Kędroń
kierownik działu handlowego Electricom Engineering

Instalacje fotowoltaiczną możemy zamontować na kilka sposobów. Ważne jest to, by na początku określić preferencje klienta oraz warunki techniczne takie jak: ilość i czas zużycia energii, dostępność miejsca na dachu oraz rodzaj pokrycia dachowego.
Przede wszystkim musimy wziąć pod uwagę, czy w okolicach dachu nie ma obiektów zacieniających, a także kominów, instalacji odgromowej lub wentylacyjnej.
W przypadku dachów płaskich możemy rozróżnić dwa typu montażu pod względem nachylenia paneli. Optymalny średnioroczny kąt nachylenia paneli to 30–35°. Jednak bardzo często panele montowane są o kącie nachylenia między 10- 20°. Wynika to z tego, że produkcja elektryczna przy takim ustawieniu jest bardziej wydajna w lecie. Także odległości między rzędami montowanych paneli przy mniejszym kącie nachylenia są mniejsze, więc na ograniczonej powierzchni dachu można zamontować większą ilość paneli. Dobory tego typu wykonuję się indywidualnie dla każdego budynku.
W przypadku dachów skośnych panele są zazwyczaj instalowane płasko na dachu, którego nachylenie to 5-35°. Dzięki temu nie występuje efekt samo zacieniania, powierzchnia dachu wykorzystana jest optymalnie, a koszt konstrukcji jest mniejszy. Należy jednak zachować pewną odległość od poszycia, aby zapewnić odpowiednią wentylację.
Panele fotowoltaiczne zazwyczaj montuje się po stronie południowej. Produkcja prądu jest wówczas największa w godzinach południowych. Jednak istnieje też sposób montażu wschód-zachód. Wtedy panele produkują najwięcej energii elektrycznej w godzinach porannych i popołudniowych. Aby to dobrze funkcjonowało, dachy musza mieć nachylenie do 15°. Panele fotowoltaiczne możemy zamontować na większości dachów. W przypadku większych instalacji dachowych, niezbędna jest opinia konstruktora. Należy pamiętać o tym, że panele, które są nachylone na dachu płaskim pod pewnym kontem działają jak żagle i w zależności od kierunku wiatru są dociskane lub odrywane od dachu. Spotykamy też się z takimi pojęciami jak worki śnieżne. Jednak istnieją rozwiązania typu tzw. aerodynamiczne instalacje, aby ten problem ominąć. W przypadku nowo wybudowanych hal, bardzo często zdarzą się że posiadają one gwarancje i nie można wykonywać montowania bezpośrednio do dachu. Wtedy możemy zamontować instalacje na plastikowych wspornikach wypełnionych żwirem lub obciążone bloczkami betonowymi. Takie instalacje nie potrzebują wykonywania wierceń w dachu.
Trzeba pamiętać, że system montażu paneli musi być bezpieczny i trwały. Należy zatem stosować elementy odpowiedniej jakości, najlepiej sprawdzonych producentów.
Okablowanie należy połączyć według określonych schematów okablowania. Niepoprawne okablowanie może prowadzić do zniszczenia falownika i modułów.

Iwona Bortniczuk
Na podstawie materiałów firm: Caldoris Polska, Electricom Engineering, Sunsol, Solaris

Megger przyrządy pomiarowe nr 1 na świecie - niezawodne w każdych warunkach - gwarantowana wiarygodność i powtarzalność pomiarów - ...mierzymy od 1889 roku