POLSKI PRODUCENT MODUŁÓW PV

Zapewniamy
kompleksową ofertę
produktową do instalacji
fotowoltaicznych

Projektowanie instalacji fotowoltaicznych

Konfiguracja systemów fotowoltaicznych

Instalacje fotowoltaiczne nie są czym innym jak instalacjami elektrycznymi, których projektowanie jak i wykonanie, podlega przestrzeganiu zasad norm i sztuki budowlanej.


mgr inż. Piotr Gabryańczyk
Menadżer Produktu
Selfa GE S.A.

 

Aby ułatwić sobie proces konfiguracji systemu PV wskazane jest wykorzystanie programów dedykowanych do tych zadań, jednak, aby zacząć je obsługiwać, należy zapoznać się z podstawowymi wytycznymi obowiązującymi przy tych czynnościach.

Dobór modułów fotowoltaicznych.

Przekrój parametrów, budowy oraz technologii produkcji modułów fotowoltaicznych został przedstawiony w wydaniu czerwcowym niniejszego czasopisma. Jednak czym się kierować przy ich wyborze, kiedy zastosować daną technologię, na co zwracać uwagę przy zakupie?

Wiadomo, że połączone w jeden string moduły fotowoltaiczne powinny pochodzić od tego samego producenta i być tego samego typu. Jednak jednym z głównych parametrów elektrycznych modułu fotowoltaicznego, decydującym o prawidłowej pracy kilki/kilkunastu modułów podłączonych w jeden szereg, jest tolerancja mocy. Ma on istotne znaczenie, ponieważ w trakcie pracy szeregowo podłączonych kilku/kilkunastu modułów fotowoltaicznych, całkowita moc wydawana przez ten string, jest wynikiem iloczynu mocy modułów, gdzie mnożnikiem jest wartość mocy najsłabszego modułu. Dla przykładu, załóżmy, że korzystamy z 12szt. modułów o mocy 250W, której zakres tolerancji wynosi -5%;+5%. Jeżeli wśród tych 12 szt. modułów wystąpi choć jeden, który ma obniżoną moc o -5%, a pozostałe zachowują tolerancje dodatnią +5%, wówczas suma wydawanej mocy będzie wynosić:

Pmax = 12 szt. x (250[W] -5%) = 12 szt. x 237,5[W] = 2 850[W].

Jednak, gdy korzystamy z modułów, których tolerancja jest jedynie w dodatnim zakresie jesteśmy pewni, że moc maksymalna wydawana przez ten string może być jedynie większa, niż wskazana przez producenta. W przypadku, gdy zakres tolerancji mieści się w granicach +3%;-0%, mamy zapewnienie, że sumaryczna moc maksymalna wynosić będzie zawsze nie mniej niż:

Pmax = 12 szt. x (250[W] -0%) = 12 szt. x 250[W] = 3 000[W].

Najważniejszą kwestią podczas wrysowywania modułów na danej powierzchni jest oszacowanie ilości modułów fotowoltaicznych, jaką będzie można na niej zainstalować. Na tym etapie należy również, zastanowić się czy inwestorowi zależy na efekcie designerskim czy standardowym rozwiązaniu. Jak już wiadomo, moduły fotowoltaiczne mogą być wykonane w technologii cienkowarstwowej jak i krystalicznej. W przypadku modułów cienkowarstwowych istnieje zdecydowanie większą możliwość doboru kolorystyki modułów. Jednak co za tym idzie, ich sprawność jest kilka procent niższa od sprawności modułów krystalicznych, tym samym na danej powierzchni, zainstalować można mniejszą moc. Moduły krystaliczne występują głównie w kolorze ciemnego granatu i odznaczają się najlepszym współczynnikiem ceny do mocy.

Czy instalacja jest montowana na dachu czy na gruncie lub dachu płaskim? To pytanie dopiero da nam odpowiedź, jaką ilość modułów jesteśmy w stanie tam zainstalować. Przyjmując za miejsce instalacji dach skośny (pochylenie 15-400), wskazany jest montaż „na płasko”. Oznacz to że moduły leżą koło siebie, a przy ich wrysowywaniu w obiekt należy uwzględnić:

 

  • odstępy między nimi, które wyznaczają klemy mocujące – zazwyczaj 20-25mm,
  • długość krawędzi bocznej panelu PV, uwzględniająca długość profili nośnych konstrukcji – zazwyczaj dodatkowe 20mm na stronę,

wówczas rzeczywista powierzchnia jaką będzie zajmował panel fotowoltaiczny, zostanie powiększona o te wymiary.


Rys. 1. Źródło: opracowanie własne 


Przy wykonaniu instalacji na gruncie lub dachu płaskim, należy uwzględnić odstępy między poszczególnymi rzędami modułów, tak aby nie występował efekt samo zacienienia – głównie w okresach wiosna/lato/jesień. O wielkości tych odstępów decyduje głównie szerokość geograficzna miejsca, w którym instalacja ma pracować. Dla terenu Polski jak i zachodniej Europy wyliczenia te będą zbliżone i można je wyznaczać korzystając z poniższego diagramu.

Rys. 2. Wartości odstępów między kolejnymi rzędami modułów PV. Źródło: Henryk Łotocki.
ABC Systemów fotowoltaicznych sprzężonych z siecią energetyczną. Poradnik dla instalatorów.
Wydawnictwo i Handel Książkami „KaBe”. Krosno 2011

 

Odległość O między rzędami powinna wynosić

O = (2,5-3) s 

gdzie:

L – szerokość rzędów

Dopuszczalne jest ułożenie poszczególnych rzędów modułów PV w takiej odległości, która spowoduje występowanie samo zacienienia, ale jedynie w okresach zimowych, w godzinach porannych i wieczornych. Warunki atmosferyczne o tej porze roku, nie sprzyjają znacząco produkcji energii elektrycznej, więc mają mały wpływ na całkowity roczny uzysk.

Ważną kwestią przy wyborze modułów fotowoltaicznych jest sprawdzenie ich nie tylko pod kątem parametrów elektrycznych, ale także okresu ich gwarancji oraz wytrzymałości mechanicznej. Należy wybierać jedynie te produkty, które posiadają certyfikaty niezależnych Instytutów Certyfikujących np. VDE, tym samym zapewniają gwarancję pracy na okres minimum 25lat przy zachowaniu 80% mocy, czy też 10letnią gwarancję produktową. Dodatkowo należy zwrócić uwagę na wskaźniki odporność na uderzenia gradu, czy wytrzymałość mechaniczną na odkształcenia statyczne lub dynamiczne, co ma duże znaczenie przy coraz częstszym występowaniu anomalii pogodowych na terenie Środkowej Europy. Przykładowo moduły Selfa GE S.A. odznaczają się odpornością na gradobicie kulkami o średnicy 55mm uderzającymi prostopadle w ich powierzchnie z prędkością 39,3m/s oraz odporność na obciążenia 8000Pa. Wiodąca firma produkcyjna nie powinna również, wstydzić się zaprezentowania procesu technologii produkcji i jej zalet. Najlepiej wybierać lokalnych producentów, od których w przypadku niesprawności urządzeń będziemy mogli z łatwością domagać się roszczeń gwarancyjnych. Ostatnią istotną rzeczą jest sprawdzenie wiarygodności producenta, którego istnienie na rynku musi być adekwatne, a najlepiej dłuższe do oferowanego czasu gwarancji.

Dobór inwerterów fotowoltaicznych.

Inwerter fotowoltaiczny, jest urządzeniem, którego głównym zadaniem jest transformacja wartości napięcia prądu stałego na napięcie prądu zmiennego, dostosowane do parametrów sieci elektroenergetycznej, do której zostaje przyłączony. Dodatkowo odpowiada on za optymalizację produkcji energii elektrycznej, wyszukując maksymalny punkt pracy przyłączonych do niego modułów fotowoltaicznych – punkt ten nazywany jest MPP (punkt mocy maksymalnej). Oczywiście, mowa tutaj o inwerterze on-gridowym, którego warunkiem pracy jest podłączenie go do sieci elektroenergetycznej. W sytuacji gdy nie ma możliwości podłączenia systemu fotowoltaicznego z siecią elektroenergetyczną, lub inwestor nie chce tego wykonać, do zasilania odbiorników prądu przemiennego, należy zastosować inwerter off-gridowy.

W zależności od konstrukcji mechanicznej jak i elektrycznej, inwertery możemy zaklasyfikować pod kątem:

  1. Typu pracy: pracujące przy obecności sieci elektroenergetycznej, wyspowe
  2. Technologii wykonania: transformatorowa, beztransformatorowa, transformatorowa Hi-Fi
  3. Konstrukcji: centralne, szeregu.

W większości przypadków wykorzystuje się inwertery on-gridowe, dlatego poniżej zostaną przedstawione parametry, które są ważne przy ich wyborze. Charakterystyką inwerterów off-gridowych zajmiemy się w kolejnych wydaniach czasopisma. Planując zakup inwertera on-gridowego, a następnie konfigurując go z modułami fotowoltaicznymi należy zapoznać się z danymi przedstawionymi w jego karcie katalogowej, a mianowicie:

  •  maksymalne napięcie wejściowe – maksymalna wartość napięcia jaką może osiągnąć grupa modułów fotowoltaicznych podłączona w jeden string
  •  napięcie startowe – minimalna wartość napięcia jaka musi zostać wytworzona przez grupę modułów fotowoltaicznych podłączoną w jeden string, aby inwerter rozpoczął pracę
  •  zakres napięć mppt – zakres wartości napięcia, w jakim inwerter pracuje, śledząc maksymalny punkt pracy  modułów fotowoltaicznych podłączoną w jeden string,
  •  ilość mpp trackerów – ilość oddzielnych mpp trackerów, które pozwalają na niezależna pracę kilku stringów
  •  maksymalny prąd wejściowy – maksymalna wartość prądu jaka może zostać wytworzona i wprowadzona do inwertera

Innymi parametrami, które odgrywają rolę przy projektowaniu oraz są równie ważne podczas eksploatacji to: możliwość podłączenia inwertera do sieci web, posiadanie wbudowanego wyświetlacza graficznego, wartość poziomu hałasu, rodzaj chłodzenia, stopień ochrony IP, a także waga, wymiary czy dopuszczalny zakres temperatur pracy.

Zapoznanie się z warunkami serwisu jak i gwarancji, nie powinno umknąć inwestorowi. Już niejeden producent oferuje serwis i pomoc techniczną w języku polskim, co ułatwia ewentualne rozwiązywanie problemów podczas eksploatacji urządzeń. Minimalny okres pracy inwerterów nie powinien odbiegać od żywotności modułów. Większość producentów inwerterów zapewnia gwarancję na okres 5 lat, jednak daje możliwość jej rozszerzenia nawet do 20lat. Doświadczenie wskazuje, że markowe inwertery pracują bez usterek nawet przez 15 lat.

Kolejny ważnym aspektem, przy wyborze inwertera jest zwrócenie uwagi na to, czy producent  dostarcza dokumenty (Certyfikaty zgodności, Deklaracje zgodności i in.) wymagane przez Zakład Energetyczny w trakcie ich przyłączania. Wykaz dokumentów wymaganych przez Zakład Energetyczny widnieje zazwyczaj, we wnioskach przyłączeniowych

Wytyczne przy konfiguracji systemu fotowoltaicznego

Korzystając z dedykowanych programów komputerowych, służących do konfiguracji systemów fotowoltaicznych, kilkoma kliknięciami myszki, możemy szybko dokonać prawidłowej konfiguracji całego systemu. Jednak, aby zrozumieć tok obliczeń, warto zapoznać się z algorytmem ich wykonywania.

Załóżmy, że inwestor planuje na swoim dachu (lokalizacja - Warszawa, Polska, orientacja południowa, pochylenie 30st) montaż wspomnianych 12 sztuk modułów fotowoltaicznych,. Zapoznając się z produktem firmy Selfa GE S.A. – moduł fotowoltaiczny SV60P.4-250, w karcie katalogowej odczytujemy następujące wartości.

 

Rys.3. Parametry modułu fotowoltaicznego produkcji Selfa GE S.A., typ SV60P.4-250.
Żródło: Selfa GE S.A.


Aby dokonać prawidłowej konfiguracji modułów fotowoltaicznych z inwerterem on-gridowym, należy spełnić następujące warunki:

1. Moc panelu fotowoltaicznego w warunkach STC powinna być wyższa od mocy wyjściowej inwertera. Przy standardowym usytuowaniu (orientacja południowa, pochylenie 300) powinno się mieścić w granicach 110-115%. Nie należy przekraczać wartości 120%. Przewymiarowanie to powinno zostać obliczane indywidualnie dla danego usytuowania modułów.

Obliczamy moc panela fotowoltaicznego, aby dobrać odpowiedni inwerter.

12 sztuk x 250[W] = 3 000[W]

Korzystając z oferty firmy SMA, dobieramy inwerter, który daje możliwość przyłączenia 12 szt. modułów fotowoltaicznych. W tym celu z katalogu firmy wybieramy inwerter SMA SB 2500TLST-21, którego parametry pracy wynoszą:

Rys.4. Wybrane parametry inwertera fotowoltaicznego SB 2500TLST-21. Źródło: SMA Solar Technology AG

Wprawdzie, producent zaleca podłączenie panela fotowoltaicznego o mocy 2 650[W], jednak bazując na doświadczeniu praktycznym, dopuszczalne jest podłączenia 12 sztuk modułów, co daje przewymiarowanie na poziomie 120%.

2. . Prąd Isc wszystkich stringów, nie powinien być wyższy od maksymalnej wartości prądu wejściowego inwertera.

12 sztuk modułów PV połączonych w jeden string, wytwarza prąd zwarcia o wartości 8,8[A].

8,8[A] < 15[A]

3. Napięcie Uoc każdego stringu przy minimalnej temperaturze otoczenia (-200C), musi być niższe od maksymalnej wartości napięcia wejściowego inwertera.

12 sztuk x Voc = 12 x 37,5[V] = 450[V]

(-200C – 250C) x (-0,30%/0C) = -450C x (-0,30%/0C) = 13,5%

450[V] + 13,5% = 510,75[V]

510,75[V] < 600[V]

4. Napięcie MPP każdego stringu przy maksymalnej temperaturze pracy (+800C), musi być wyższe od minimalnej wartości napięcia, wskazanego w zakresie napięć mppt. Napięcie to musi być również bezwzględnie wyższe od wartości napięcia startowego inwertera.

12 sztuk x Vmpp = 12 x 29,9[V] = 358,8[V]

(+800C – 250C) x (-0,30%/0C) = 550C x (-0,30%/0C) = -16,5%

358,8[V] - 16,5% = 299,60[V]

299,60[V] > 180[V] / 150[V]

Uzyski energetyczne z pracującej instalacji fotowoltaicznej.

W celu obliczenia uzysków energetycznych z instalacji fotowoltaicznej, należy korzystać z dedykowanych do tego celu programów. Oczywiście uzyski te nigdy nie będą pokrywały się z rzeczywistością, ponieważ nawet najbardziej zaawansowany program nie jest w stanie przewidzieć warunków atmosferycznych jakie wystąpią w przeciągu danego roku czy następnych lat. Do obliczeń przyjmowane są średnie wartości danych meteorologicznych dla wskazanej lokalizacji, uwzględniając poprzednie, kilkanaście lat kalendarzowych. Dodatkowo uwzględniane są wszelkie bloki strat, wynikłe nie tylko z konwersji energii, ale również wynikłe z drogi, jaką promieniowanie słoneczne musi przejść aby dotrzeć do ziemi, zanieczyszczeń, temperatury pracy, zacienienia, opadów, wietrzność i in.

W praktyce, jesteśmy w stanie samodzielnie oszacować uzyski z danej instalacji PV. W tym celu należy posłużyć się danymi określającymi średnie wartości promieniowania słonecznego dla danej lokalizacji. Wartości te można znaleźć w ogólnodostępnych portalach internetowych. Jednym z takich jest portal Ministerstwa Infrastruktury i Rozwoju www.mir.gov.pl, gdzie znajdujemy zapisy o ‘Typowych latach meteorologicznych i statystycznych danych klimatycznych dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków’. Odczytujemy tam, że natężenia promieniowania słonecznego w poszczególnych miesiącach roku, na powierzchnie badaną o orientacji południowej i pochyleniu do poziomu 300 (I_S_300), dla miejscowości Warszawa, wynosi. 

Rys. 5. Wartości natężenia promieniowani słonecznego dla miejscowości Warszawa.
Źródło: www.mir.gov.pl

 

Aby obliczyć wartość energii wyprodukowanej z danego systemu fotowoltaicznego, należy podstawić odpowiednie dane do poniższego wzoru.

Kontynuując analizę zaprojektowanego systemu, tj. 12 sztuk x SV60P.4-250, 1x SMA SB 2500TLST-21, przedstawiony został wykres, pokazujący uzyski energetyczne w poszczególnych miesiącach eksploatacji systemu PV, wykonany na podstawie samodzielnych obliczeń oraz korzystając z programu PVSyst, dla tej samej lokalizacji i tego samego usytuowania modułów.

Rys. 6. Porównanie szacowanych wartości uzysków energetycznych, na podstawie własnych obliczeń oraz wyliczeń programu PVSyst.

Roczna wartość energii wyprodukowana przez zaprojektowany system fotowoltaiczny, wg:

W sytuacjach, gdy na powierzchni modułów może wystąpić zacienienie, lub usytuowanie ich jest różne, samodzielne obliczenia uzysków nie są takie proste. Wskazane jest wówczas korzystanie z dedykowanych programów, które uwzględniają te zmienne.

Optymalizacja pracy systemu PV

Przewymiarowanie systemu fotowoltaicznego wykonuje się po to, aby po stratach jakie występują podczas eksploatacji całego systemu PV, sumaryczna moc modułów fotowoltaicznych przyłączona do inwertera była jak najbliższa mocy AC jaką może on produkować. Jest to czynność celowa i gwarantuje prawidłową pracę systemu w przeciągu wielu lat. Wspomniane straty wywołane są głównie poprzez następujące czynniki:

1. Napromieniowanie i temperatura.

W warunkach STC, moduły badane są przy natężeniu promieniowania słonecznego o wartości 1000 W/m2 oraz temperaturze pracy 250C. Jednak przy 1000 W/m2, temperatura pracy modułów wynosi nawet 70-800C, co przekłada się na spadek rzędu 5 -15% ich mocy nominalnej. Już kilkostopniowe zamiany temperatury powodują zmianę mocy modułów, zgodnie z współczynnikiem temperaturowym mocy Pmax: -0,42%/0C.

2. Współczynnik AM

Określa pod jakim kątem promieniowanie słoneczne pada na moduły fotowoltaiczne. W warunkach STC wspł. AM = 1,5 oznacza kąt 480. Aby moduły odbierały w 100% promieniowania, musiały by przez cały czas być skierowane prostopadle do Słońca. Przy zamocowaniu modułów na konstrukcji stałej, sytuacja ta zdarza się bardzo rzadko, co powoduje że ilość promieniowania padająca na moduły jest zawsze inna niż w warunkach STC.

3. Spadek sprawności

Podczas eksploatacji modułów fotowoltaicznych zakłada się, że spadek sprawności modułów w ciągu 25 lat ich pracy wynosi 20%, co daje średnio wynosi 0,8% w roku.

4. Zabrudzenia

Zabrudzenia powstające na powierzchni modułów fotowoltaicznych, pracujących w zanieczyszczonym środowisku powodują stratę uzysków na poziomie ok. 4% w ciągu roku. Przy normalnym użytkowaniu nie przekraczają one 2-3%.

5. Przewody

Podczas przesyłu energii elektrycznej produkowanej przez moduły, do inwertera, przewodami prądu stałego, występują spadki napięć, tym samym moc docierająca do inwertera jest stosunkowo mniejsza.

6. Inwerter

Przyglądając się charakterystyką sprawności inwerterów łatwo zauważyć, że pracują one najefektywniej zakresach napięć modułów PV zbliżonych do górnej granicy zakresu napięć mppt. Generuje to starty podczas transformacji energii nawet do 15%.

Rys. 7. Charakterystyka sprawności inwertera o SMA SB 3000TLST-21.
Źródło: SMA Solar Technology AG.

Powyższe argumenty wskazują na to, że maksymalna rzeczywista moc modułów fotowoltaicznych nie będzie przekraczać długotrwale 80% mocy wyznaczonej w warunkach STC. Z tego względu optymalnie dobrana moc instalacji PV powinna wynosić 110-115% (max. 120%) wartości mocy wydawanej przez inwertera.

Dla udowodnienia powyższego wniosku, na rysunku XX przestawiony został wykres strat generowanych przez skonfigurowany system fotowoltaiczny. Wynika z niego, że większość strat (nie wliczając strat spowodowanych przejściem promieniowania przez atmosferę) spowodowane jest głównie wrażliwością modułów na warunki atmosferycznye. Natomiast analizując ostatni blok diagramu, odczytujemy, że obniżenie sprawności z tytułu użycia wskazanego inwertera, wynika jedynie z przewymiarowania jego mocy i wynosi 0,1%. Faktycznie, po przeprowadzeniu analizy, system ten jest wydajniejszy niż w przypadku zastosowania zalecanej przez producenta ilości modułów dla tego inwertera. Dodatkowe straty wynikają ze sprawności pracy i wynoszą -4,6%.

Rys. 8. Diagram sprawności systemu fotowoltaicznego na podstawie obliczeń programu PVSyst.

W celu zapewnienia maksymalnej wygody użytkowników przy korzystaniu z witryny ta strona stosuje pliki cookies. Szczegóły w naszej Polityce prywatności.
Kliknij "Zgadzam się", aby ta informacja nie wyświetlała się więcej.