Elementy składowe domowej elektrowni słonecznej (fotowoltaicznej)

Do osiągnięcia oczekiwanych zysków z systemu fotowoltaicznego oraz zapewnienia bezpieczeństwa użytkowania niezbędne jest zastosowanie czterech zespołów, tj.:

1. Generator fotowoltaiczny w postaci połączonych (najczęściej szeregowo) ze sobą modułów, tworzących panel lub panele słoneczne. W zależności od zmian natężenia oświetlenia słonecznego generator udostępnia swoją różną moc elektryczną o napięciu stałym (DC).

2. Falownik (inwerter), do którego na wejściu podłączony jest generator fotowoltaiczny, a z drugiej strony, po przetworzeniu stałego napięcia na przemienne (AC), przyłączony jest do domowej sieci elektrycznej (do rozdzielnicy lub złącza licznikowego).

3. Konstrukcja wsporcza (kompletny system montażowy), do której przymocowane są poszczególne moduły fotowoltaiczne, wykonana wraz z elementami złącznymi i śrubowymi ze stali nierdzewnej (A2) i aluminium. Konstrukcja wsporcza jest z kolei mocowana do konstrukcji budynku lub jako wolno stojąca osadzana jest w gruncie.

4. Instalacja elektryczna, składająca się z wyłączników elektroinstalacyjnych, nadprądowych i różnicowoprądowych (RCD), ochronników przepięciowych (opcjonalnie z instalacji odgromowej), uziemienia, specjalistycznego okablowania i akcesoriów elektrycznych oraz z rozdzielnic (obudów, skrzynek).

schemat fotowoltaika
Schemat instalacji fotowoltaicznej
House vector created by brgfx – www.freepik.com

Panele fotowoltaiczne na dachu czy na ziemi?

Coraz więcej instalacji fotowoltaicznych powstaje na gruncie, budynkach gospodarczych lub na wiatach samochodowych. Dlaczego takie umieszczenie elektrowni fotowoltaicznej cieszy się rosnącą popularnością? Jest kilka przyczyn.

Jeżeli chodzi o duże systemy, to umiejscowienie na gruncie jest wprost konieczne, bo elektrownie te wymagają znacznej powierzchni, mierzonej często w hektarach. Największa do tej pory ( grudzień 2019r.) elektrownia fotowoltaiczna w Polsce powstała w gminie Czernikowo, obejmując obszar ponad 7,5 ha, a moc zainstalowana tej farmy PV wynosi 3,77 MW.

Z innych przyczyn, dlaczego niektórzy inwestorzy nie montują modułów fotowoltaicznych na dachach swoich domów, należy wymienić brak optymalnego nasłonecznienia dachu budynku w wyniku jego położenia w stosunku do stron świata, istniejącego zacienienia dachu np. od rosnących w pobliżu drzew lub budowli, skomplikowane kształty połaci dachowych, kominy czy okna dachowe, które z kolei ograniczają, także dostępne miejsca dla modułów. Montaż na dachu budynku, szczególnie o dużym pochyleniu połaci jest trudniejszy i bardziej niebezpieczny niż montaż na wiacie samochodowej, która jest często znacznie niższa, a dodatkowo nie wymaga uciążliwego transportu modułów na dach domu.

Należy, także wymienić decyzję inwestorów, które wynikają z obawy o późniejszy stan szczelności dachu, ponieważ konstrukcje wspierające, na których montowane są moduły winne być przytwierdzane do elementów konstrukcyjnych np. krokwi. Wprawna ekipa montująca nie pozostawi po sobie dziurawego, przeciekającego dachu, ale obawy właścicieli domów, zdarza się, że są często uzasadnione. Co do kosztów montażu na budynku mieszkalnym, a kosztów montażu np. na wiacie (carporcie), to te drugie powinny być mniejsze, chociażby z opisanych wyżej względów.

Mała instalacja fotowoltaiczna w ogrodzie

Lokalizacje instalacji na gruncie lub budynkach gospodarczych, które są znacznie (kilkaset metrów) oddalone od rozdzielnicy domowej lub złącza kablowego w ogrodzeniu mogą z kolei przysporzyć dodatkowych kosztów wynikających z konieczności zastosowania odpowiednio długich i o większych przekrojach kabli elektrycznych. Także dodatkowa ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa (ochronniki) jest droższa przy większych odległościach między modułami, a falownikiem i przyłączem elektrycznym. Zwolennicy okresowego mycia i czyszczenia modułów będą na pewno zadowoleni z instalacji zamontowanej na gruncie lub na niskim garażu. Czynności tam są o wiele prostsze do przeprowadzenia niż na wysokim, stromym dachu.

Panele słoneczne na stodole

Powyższe uwagi dotyczą także serwisu instalacji np. wymiany modułów, czy naprawy okablowania. Nie sposób nie wspomnieć o zagrożeniach pożarowych, które dotyczą przecież każdego rodzaju instalacji elektrycznych. Opanowanie, czy ograniczenie pożaru i jego skutków niewątpliwie jest trudniejsze dla budynku mieszkalnego niż dla innego obiektu.

Dodatkowo należy przypomnieć, że w drugiej połowie 2019 r. zrównano podatek VAT na usługę montażu instalacji na budynku i montażu obok budynku. W chwili obecnej VAT na te rodzaje prac wynosi 8%.

Panele fotowoltaiczne na ścianie (elewacji) budynku

W przypadku braku możliwości umieszczenia modułów fotowoltaicznych na dachu budynku, można rozważyć montaż modułów ustawionych pionowo (90 st. w stosunku do powierzchni ziemi) np. na elewacji budynku, ścianie, balkonach.

panele fotowoltaiczne na ścianie - panele słoneczne
Panele fotowoltaiczne na ścianie elewacyjnej biurowca

Czy taka elektrownia wyprodukuje satysfakcjonującą nas wielkość energii? Najlepsze efekty w skali roku uzyskujemy przy usytuowaniu modułów dokładnie na południe oraz pochylone 35 stopni w stosunku do powierzchni ziemi. Przy pomocy kalkulatora PVGIS obliczony został uzysk roczny przykładowej instalacji o mocy 1 kW mocowanej pionowo na elewacji budynku.

panele fotowoltaiczne na ścianie - panele słoneczne
Panele fotowoltaiczne na elewacji domu

Otrzymane wyniki poniżej:

Energia w kWh dla różnych miesięcy w roku

Dla przypomnienia należy podać, że moc 1 kW elektrowni, ale ustawionej optymalnie (azymut na południe i kąt pochylenia 35 stopni) wyliczono na 995,6 kWh w skali roku. Mimo, że panele ustawione pionowo wyraźnie „podbijają” produkcję w miesiącach zimowych, to nie na tyle, żeby skompensować jej stratę w miesiącach z długimi dniami.

W rezultacie moduły fotowoltaiczne mocowane na elewacji wypracują w ciągu roku 71,3% energii, którą wyprodukowałyby moduły ustawione pod kątem 35%.

Jak moduły fotowoltaiczne sprawują się zimą?

Jak wiadomo chmury, mgły, śnieżyce, czy nawet smog, czyli zjawiska  przesłaniające słońce mogą w dużym stopniu obniżać wielkość wyprodukowanej energii z fotowoltaiki. W okresie zimowym niższe temperatury nie powodują zmniejszania sprawności modułów. Wprost przeciwnie, im niższa temperatura powietrza, tym większe napięcia elektryczne pojawiają się na modułach. Przy obliczeniach instalacji, projektant bierze ten właśnie fakt pod uwagę przy określaniu maksymalnego napięcia, jakie może pojawić się na wejściu falownika. 

Zimą bardzo istotną wadą jest krótki dzień, czyli krótszy czas naświetlania modułów. Jeżeli nawet dociera do nich podobna ilość energii słonecznej jak latem, to w zdecydowanie w krótszym czasie. Oczywiście mitem jest twierdzenie, że w Polsce jest za małe roczne nasłonecznienie, aby moduły fotowoltaiczne działały efektywnie. Polska ma bardzo zbliżone warunki słoneczne do Niemiec, w których zainstalowano już ponad 50GW w fotowoltaice (najwięcej w Europie).

czy panele działają zimą - czy fotowoltaika działa zimą
czy panele działają zimą – czy fotowoltaika działa zimą

Co ze śniegiem i gradem?  Czy mogą zniszczyć moduły? Okazuje się, że moduły PV są bardzo odporne nawet na grad wielkości piłki golfowej. Przechodzą odpowiednie fabryczne testy i są bardziej wytrzymałe na gradobicie niż okna dachowe. Śnieg nie stanowi zagrożenia dla modułów od strony odporności na nacisk, która wynosi ok. 800 kg/m2. Zalegająca przez długi czas na panelach PV gruba warstwa śniegu, może jednak obniżyć wielkość wytwarzanej energii, więc należałoby śnieg uprzątnąć, szczególnie może to dotyczyć dachów płaskich i np. ułożenia modułów pod niewielkim kątem. Przy niewielkich opadach śniegu, występuje najczęściej naturalne jego zsuwanie się, wspomagane dodatnią temperaturą modułów, które w czasie pracy lekko się nagrzewają. Podsumowując, należy stwierdzić, że moduły fotowoltaiczne są urządzeniami bardzo odpornymi, nawet na ciężkie zimowe warunki atmosferyczne.

Czy montaż niewielkiej instalacji fotowoltaicznej ma sens?

Mając ograniczone środki na fotowoltaikę, możemy jednak zacząć od najmniejszych rozwiązań, chociażby po to, aby sprawdzić i ewentualnie przekonać się lub nie do własnej produkcji prądu elektrycznego.

Na zdjęciu poniżej widzimy dwa moduły fotowoltaiczne, których moc razem prawdopodobnie wynosi 500W (2x250W).

Dwa panele PV – Mikro elektrownia słoneczna

Ta mikroelektrownia słoneczna wyprodukuje w roku ok. 500kWh. Przemnażając przez koszt 1kWh (0,65zł) da nam to oszczędność roczną w kwocie 325zł. Napewno warto (nie jest to trudne) całą instalację zrobić samemu.

Jakie będą szacowane koszty brutto?

Moduły: 2*400zł=800zł

Mikroinwerter = 600zł

elektryka i konstrukcja = 300zł

Razem: 1700zł, więc instalacja zwróci się po 5 latach i 3 miesiącach (1700/325 zł) lub krócej jeżeli będzie wzrost cen prądu.

Czy dużo tracimy przy modułach ułożonych poziomo?

W poprzednim artykule obliczony został uzysk elektrowni o mocy 1 kW, ulokowanej w centrum Polski skierowanej na południe i pod kątem 35 stopni w stosunku do powierzchni ziemi. Ogólnie dostępny w internecie kalkulator PVGIS wyliczył dla tej konfiguracji roczną produkcję energii wielkości 995,6 kWh. Na dachach stromych, kąt połaci najczęściej mieści się w granicach 30-40 stopni. Inna sytuacja dotyczy dachów nachylonych pod niewielkim kątem lub płaskich. Do wyboru są dwie możliwości montowania modułów, można je ustawić pod pewnym kątem, albo położyć płasko na połaci dachowej. Ta pierwsza metoda jest częściej stosowana, ale i droższa, ponieważ wymaga montażu dodatkowej konstrukcji (tzw. trójkąty). Jeżeli jednak zdecydujemy się zamontować moduły poziomo na płaskim dachu, to czy dużo stracimy rocznie na produkcji energii?

Odpowiedź mamy na poniższych ilustracjach:

panele fotowoltaiczne w poziomie
produkcja energi z paneli poziomych - fotowoltaika

Wynik porównania jest następujący: moduły fotowoltaiczne ułożone poziomo (0 stopni) w stosunku do powierzchni ziemi wyprodukują rocznie 84,6% energii, którą wyprodukują moduły usytuowane optymalnie, czyli pod kątem 35 stopni ( 842,7/995,6 kwh *100% = 84,6% ). Tracimy wobec tego w skali roku ponad 15% energii.

Wielkość produkcji elektrowni słonecznej w różnych miesiącach roku.

Najlepszą porą roku dla fotowoltaiki jest oczywiście lato, ale pozostałe miesiące roku są równie ważne. Nasłonecznienie w kwietniu lub maju może nam napędzić całkiem sporą ilość energii elektrycznej. Co na ten temat mówi statystyka?

Do projektowania instalacji i obliczeń produkcji energii elektrycznej z fotowoltaiki stosowane są najczęściej aplikacje (kalkulatory) m.in. od producentów falowników oraz kalkulatory organizacji gromadzących dane statystyczne nasłonecznienia w czasie i miejscu kuli ziemskiej.

Przy pomocy kalkulatora PVGIS ( Photovoltaics Geographical Information System) dokonano obliczeń biorąc pod uwagę położenie geograficzne – miejscowość w Centralnej Polsce, moduły fotowoltaiczne o mocy łącznej 1 kW (np.4 moduły po 250W) skierowane dokładnie na południe i pod kątem 35 stopni w stosunku do powierzchni ziemi. Wyliczony został uzysk energii w poszczególnych miesiącach i cała produkcja roczna.

Od czego zależy wielkość produkcji elektrowni słonecznej?

Często słyszy się opinie, że instalacja fotowoltaiczna nie produkuje energii wtedy, gdy słońce jest przesłonięte chmurami lub np. zimą, bo jest zimno i mglisto. A tak naprawdę, jedynie w nocy możemy mówić o produkcji energii bliskiej zeru.

Największy uzysk energetyczny ze słońca mamy wtedy, gdy promienie słoneczne nie są niczym przesłonięte i padają prostopadle do modułu fotowoltaicznego. Oczywiście tylko instalacja nadążająca za słońcem (poziomo i pionowo) dałaby tutaj najlepsze efekty. Są to jednak rozwiązania droższe i rzadziej stosowane. Przyjmuje się, że statystycznie moc promieni słonecznych docierających do powierzchni ziemi wynosi 1000 W/m2 (watów na m2).

Na powyższym rysunku pokazane jest, co przeszkadza promieniom słonecznym.

Aktualnie produkowane i powszechnie stosowane moduły fotowoltaiczne mają jednak sprawność sięgającą zaledwie 18-20%. Wobec tego, to co ma do dyspozycji falownik naszej elektrowni, to moce 5-krotnie mniejsze od mocy promieni słonecznych padających na moduły PV. Mimo tego, nie jest tak źle. Obliczając na szybko, na dachu o powierzchni np. 30m2 możemy umieścić moduły fotowoltaiczne o łącznej mocy maksymalnej aż o wielkości 6000W (6kW). W geograficznym położeniu Polski (ilość godzin i średnie nasłonecznienie w roku) moduły o mocy 6kW wyprodukują rocznie ok. 6000kWh (6MWh) energii elektrycznej.

Brak prądu? Co wtedy z instalacją fotowoltaiczną?

Wyłączenie prądu przez zakład energetyczny. Co z naszą elektrownią słoneczną?

Jeżeli mamy tzw. instalacje wyspową (off grid) lub hybrydową jesteśmy niezależni od dostaw energii przez OSD. Wytwarzamy swój prąd i zasilamy urządzenia wprost „ze słońca” lub z akumulatorów.

W elektrowniach off grid i hybrydowych jest zapewniona ciągłość zasilania. Takie elektrownie, jak wspomniano w poprzednim artykule oprócz swoich niewątpliwych zalet są jednak znacznie droższe od elektrowni on grid. W elektrowniach współpracujących z siecią (on grid) musi być zapewniony mechanizm odłączenia napięcia wytwarzanego przez falownik. Czyli natychmiast po odłączeniu nam napięcia przez zakład energetyczny falownik zaprzestaje podawać swoje napięcie wytworzone z modułów PV. To jest jedna z podstawowych, wymaganych przez OSD funkcji falownika.

Dlaczego? Wyjaśnienie jest proste. Chodzi o bezpieczeństwo. Wyobraźmy sobie sytuacje, że pracownicy zakładu energetycznego wykonują jakieś prace naprawcze czy modernizacyjne. Wyłączą napięcie i przystępują do pracy np. w posesji obok lub przy tej samej ulicy. Gdyby falownik nie odłączył napięcia, mogliby zostać porażeni prądem z naszej elektrowni!

Rodzaje domowych elektrowni słonecznych

Systemy fotowoltaiczne są stosowane wszędzie tam, gdzie na odkrytych powierzchniach możemy energię słońca zamienić na energię elektryczną. Są to m.in. jachty, kampery, carporty, budynki (na dachach i elewacji), grunty, a nawet powierzchnie jezior czy mórz. To podział ze względu na usytuowanie. 

Najczęściej mówimy o trzech typach instalacji fotowoltaicznych. Pierwsze rozwiązanie to tzw. instalacja off grid ( ang. poza siecią, niezależna od sieci energetycznej i do niej nie przyłączona). Ta autonomiczna elektrownia, zwana także wyspową posiada moduły słoneczne, falownik z regulatorem ładowania akumulatorów i akumulatory, jako magazyn energii. Wytworzona przez moduły słoneczne energia zasila na bieżąco odbiorniki energii, a jej nadwyżka przeznaczona jest na doładowanie akumulatorów, które zasilają dom w nocy lub przy małym nasłonecznieniu. W naszych warunkach słonecznych trudno jest jednak zapewnić odpowiednią ciągłość i wielkość energii na potrzeby typowego gospodarstwa domowego. O ile w warunkach letnich taka elektrownia, zaprojektowana na odpowiednią moc naszych urządzeń domowych byłaby kosztowo do przyjęcia, to w warunkach zimowych moc zainstalowanych modułów fotowoltaicznych musiałaby być 5-6 większa, aby móc obsłużyć na bieżąco zasilanie domu i oprócz tego naładować akumulatory. To sprawia, że tego typu rozwiązania są mniej efektywne i stosowane w wyjątkowych warunkach np. jachty, kampery, domki letniskowe bez przyłącza elektrycznego itp. 

Domowa instalacja fotowoltaiczna

Drugi rodzaj instalacji słonecznej, to instalacja on grid (ang. w sieci, podłączona do sieci elektrycznej). To najczęściej stosowana elektrownia, składająca się modułów fotowoltaicznych i falownika – inwertera, podłączonego bezpośrednio do zasilania elektrycznego (przyłącza) naszego budynku czy mieszkania.  Falownik przetwarza napięcie stałe uzyskiwane z modułów na użyteczne dla nas napięcie przemienne jednofazowe 230V lub trójfazowe 400V. Z punktu widzenia odbiorcy energii elektrycznej nie zauważamy żadnej różnicy w działaniu domowych urządzeń elektrycznych. Podłączony i co bardzo ważne zsynchronizowany z siecią zasilającą falownik, przy dużej produkcji energii z modułów zapewnia bezpośrednie zasilanie urządzeń, a ewentualną nadwyżkę energii kieruje do sieci (jest ona zapisywana przez specjalny licznik dwukierunkowy). Przy braku energii słonecznej np. w nocy, korzystamy z prądu bezpośrednio od dostawcy, czyli z zakładu energetycznego (fachowo zwanego OSD – operator sieci dystrybucyjnej). Inaczej można powiedzieć, że dla falownika sieć zasilająca OSD pełni rolę magazynu energii. Wadą sieci on grid jest brak możliwości korzystania z instalacji fotowoltaicznej w przypadku „wyłączenia” prądu przez zakład energetyczny.

Trzeci rodzaj instalacji fotowoltaicznej, to instalacja hybrydowa, która posiada własny magazyn energii w postaci akumulatorów, ale także jest podłączona i zsynchronizowana z siecią zasilania OSD i może korzystać w pełni z tej sieci. Mimo, że jest to najbardziej funkcjonalne rozwiązanie, stosowane jest rzadziej ze względu na koszty akumulatorów, ale także z powodu konieczności zapewnienia im odpowiedniego miejsca pracy.