Każdego roku wzrasta zapotrzebowanie na energię elektryczną. Roczny wzrost jej zużycia w krajach rozwiniętych wynosi ok. 1%, a w krajach rozwijających się ok. 5%.
Jednak światowe zasoby paliw kopalnych są ograniczone. Dlatego istnieje pilna potrzeba pozyskiwania energii elektrycznej innymi metodami niż tradycyjne. Jedną z metod jest stosowanie układów fotowoltaicznych. Prognozy wskazują, że od ok. 2050 r. energetyka słoneczna będzie stanowić główną pozycję w wykorzystaniu źródeł energii.
Fot. 1. Projektując ułożenie modułów fotowoltaicznych na dachu należy sprawdzić, czy inne elementy konstrukcji budynku lub dachu nie będą powodowały zacienienia, Viessmann
Do urządzeń wchodzących w skład instalacji fotowoltaicznej należą: moduł fotowoltaiczny, inwerter, kontroler napięcia (regulator napięcia), akumulatory, centrala komunikacyjna, wyświetlacze danych instalacji, sensory do pomiaru napromieniowania, temperatury modułu, prędkości wiatru (opcja) i temperatury otoczenia oraz system montażowy. Ich wybór, liczba i rodzaj zależą od zastosowanego trybu pracy, liczby modułów oraz zasilania (jedno- lub trzyfazowego).
Współczesne instalacje fotowoltaiczne stosowane są do zasilania różnych obiektów, zaczynając od obszarów poza zasięgiem sieci elektroenergetycznej, gospodarstw domowych i rolnych, domów letniskowych itp. aż do instalacji energetyki zawodowej i sprzedaży energii do sieci.
Fot. 2. Fragment modułu fotowoltaicznego, Viessmann
Typy modułów fotowoltaicznych
Istnieje wiele kryteriów podziału modułów fotowoltaicznych.
Wyznacznikiem może być zarówno zastosowany rodzaj materiału półprzewodnikowego (Si, Ge, związki półprzewodnikowe CdTe, CdS), struktura półprzewodnika (monokrystaliczne, polikrystaliczne, amorficzne), jak i typ złącza (homozłączowe, heterozłączowe) oraz oparte na złączach metal-półprzewodnik lub p-i-n, a także grubość ogniwa np. cienkowarstwowe (poniżej 20 μm) i grubowarstwowe.
Rys. 1. Zmiana charakterystyki oraz położenia punktu MPP w zależności od napromieniowania
Wśród modułów fotowoltaicznych wykonanych na bazie krystalicznego krzemu wyróżnia się głównie trzy rodzaje:
- Monokrystaliczne (mc-Si) – moduł składa się z pojedynczych ogniw wykonanych z jednorodnego kryształu o uporządkowanej budowie wewnętrznej. Moduły monokrystaliczne charakteryzują się długą żywotnością oraz najwyższą sprawnością dochodzącą nawet do 15%.
- Polikrystaliczne (multikrystaliczne) (c-Si). Zbudowane z małych kryształków krzemu tworzących niejednorodną powierzchnię. Charakteryzują się mniejszą mocą niż monokrystaliczne, prostotą produkcji oraz niższą ceną.
- Amorficzne (a-Si). Cienka, na ok. 2 mikrony, warstwa krzemu osadzona jest na powierzchni innego materiału, np. na szkle. Cechują się niskim kosztem produkcji oraz niską sprawnością do 8,5%.
Rys. 2. Wybór ułożenia modułów fotowoltaicznych
Oprócz wymienionych powyżej modułów fotowoltaicznych dostępne są także inne, jak np. cienkowarstwowe (CIS), hybrydowe – heterozłączowe (mono-Si + a-Si), które charakteryzują się wysoką sprawnością, do ok. 20%, jednak koszt ich produkcji jest wysoki.
Osobną grupą modułów fotowoltaicznych są moduły zbudowane z ogniw organicznych. Są one tworzone z materiałów organicznych o małym ciężarze cząsteczkowym lub z polimerów aktywnie uczestniczących w konwersji energii świetlnej na elektryczną. Tego typu moduły są lekkie, elastyczne, giętkie, tanie w produkcji i częściowo przeźroczyste. Mogą być wytwarzane na dużej powierzchni.
Wszystkie te cechy powodują, że zakres zastosowań fotowoltaiki organicznej w przyszłości znacznie się rozszerzy.
Rys. 3. Połączenie szeregowe – moc niezacienionego generatora
Rys. 4. Połączenie szeregowe – moc częściowo zacienionego generatora
Rys. 5. Połączenie równoległe – moc niezacienionego generatora
Rys. 6. Połączenie równoległe – moc częściowo zacienionego generatora
Zmiana mocy modułu spowodowana zacienieniem
Moduły fotowoltaiczne pracują w różnych warunkach atmosferycznych. W związku z tym w czasie ich pracy intensywność napromieniowania będzie zmienna, a ich moc wraz ze zmianą napromieniowania będzie także ulegać zmianie.
Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy przebieg zmian charakterystyki generatora oraz położenia punktu MPP w zależności od zmiany napromieniowania. Planując montaż instalacji fotowoltaicznej należy szczególną uwagę zwracać na zabudowę bliskiego otoczenia (np. dachu) oraz na istniejącą lub planowaną zabudowę w najbliższej okolicy. Dotyczy to także istniejących drzew lub planowanych nasadzeń. Podczas projektowania ułożenia modułów fotowoltaicznych na dachu należy sprawdzić, czy inne elementy konstrukcji budynku czy dachu (anteny, kominy, wywietrzniki itp.) nie będą powodowały niekorzystnego zacienienia (fot. 1).
Zacienienie modułu fotowoltaicznego jest powodem, w zależności od sposobu montażu, zmniejszenia mocy modułu lub w krańcowym przypadku całego generatora (panela). Jeśli moduły fotowoltaiczne są połączone w szereg i dojdzie do zacienienia jednego z nich, to moduł zacieniony zachowa się jak rezystor (opornik) elektryczny. Powstanie wówczas tzw. „efekt gorącego punktu” i całe pole może dostarczyć tyko tyle prądu, ile przepływa przez zacieniony moduł.
Moduły fotowoltaiczne czołowych firm wyposażone są w diody obejściowe. W wypadku pełnego zacienienia szeregu ogniw dioda obejściowa przewodzi prąd obok szeregu zacienionych ogniw. Jeśli w żaden sposób nie można uniknąć częściowego zacienienia powierzchni planowanej pod moduły fotowoltaiczne, należy zaprojektować takie ułożenie modułów, aby strata mocy generatora była jak najmniejsza.
Moduły można układać pionowo lub poziomo, szeregowo lub równolegle albo w sposób kombinowany - szeregowo-równolegle, łącząc je w pola. Na rysunku 2 przedstawiono wybór ułożenia modułów w sytuacji, gdy nieuniknione jest częściowe zacienienie. Widać z niego, że w ułożeniu pionowym, przy częściowym dolnym zacienieniu, moc generatora (całego pola) będzie dużo mniejsza niż w ułożeniu poziomym, przy którym moc dwóch dolnych poziomów rzędów zmaleje, lecz pozostałych rzędów pozostanie niezmienna. A więc moc generatora (całego pola) będzie większa.
Na rysunku 3 przedstawiono połączenie szeregowe w ułożeniu poziomym. Przy braku zacienienia moc końcowa pola będzie równa sumie mocy poszczególnych modułów.
Na rysunku 4 przedstawiono połączenie szeregowe w ułożeniu poziomym, ale dla przypadku, gdy moc jednego modułu na skutek zacienienia zmalała do 95 Wp. Ponieważ zacieniony moduł pracuje z większym oporem elektrycznym, natężenie prądu przepływającego przez niego zmaleje i będzie takie samo dla pozostałych, niezacienionych modułów. Moc końcowa pola będzie równa iloczynowi ilości modułów w polu i mocy modułu zacienionego.
Korzystniejszym dla opisanej powyżej sytuacji będzie ułożenie modułów równolegle. Podobnie jak poprzednio, przy braku cienia, moc końcowa będzie iloczynem mocy modułu i ich ilości (rys. 5.).
Na rys. 6. przedstawiono połączenie równoległe w ułożeniu poziomym, ale dla przypadku gdy moc jednego modułu na skutek zacienienia zmalała do 95 Wp. Ponieważ zacieniony moduł przedstawia sobą zwiększoną rezystencję elektryczną, prąd przepływający przez niego zmaleje, lecz dla pozostałych niezacienionych modułów będzie niezmieniony. Moc końcowa pola będzie równa sumie mocy poszczególnych modułów w polu.
Taki sam niepożądany efekt może spowodować okresowe zacienienie spowodowane obecnością zanieczyszczeń takich jak: liście, igliwie, pyłki, nasiona, kurz, pył, sadza, ptasie odchody. Zanieczyszczeń tego rodzaju nie można zazwyczaj przewidzieć na etapie projektowania. Jeśli jednak pozostają one przez dłuższy okres czasu na powierzchni fotoogniw, to należy się liczyć z odpowiednim spadkiem uzysku energii. Efekt wystarczającego samoczyszczenia oraz spłukiwania względnie rozpuszczania zanieczyszczeń przez spływające wody deszczowe uzyskuje się przy kącie nachylenia modułów wynoszącym min. 15°. W wypadku mniejszych kątów nachylenia można zastosować dodatkowo inne metody czyszczenia. Wiążą się one jednak z dużymi nakładami, a ponadto wymagają zachowania szczególnej ostrożności ze względu na możliwość uszkodzenia ogniw.
Zmiana mocy modułu spowodowana zmianą temperatury
Nagrzanie ogniwa czy modułu zmienia jego charakterystykę i zmniejsza moc. W przypadku modułów krystalicznych, moc zmniejsza się o ok. 0,5% na 1 stopień wzrostu temperatury (w przypadku modułów cienkowarstwowych o ok. 0,2%). Wartości mocy podawane w danych technicznych odnoszą się najczęściej do warunków STC, tzn. do temperatury modułu 25°C. W kartach katalogowych z informacjami technicznymi modułu podawany jest temperaturowy współczynnik mocy. Znając jego wartość można porównywać moduły różnych producentów oraz obliczyć zmianę mocy modułu dla innych, wyższych temperatur.
W ciepłe słoneczne dni temperatura modułu może osiągać wartości od 55°C do 70°C. W tabeli 1 przedstawiono dla przykładu obliczenia zmiany mocy modułu Vitovolt 200, typ P240RA firmy VIESSMANN w zależności od zmiany jego temperatury.
Wielkość napromieniowania oraz temperatura generatora (modułu, ogniwa) zależy także od orientacji i nachylenia modułów. Generator solarny, zorientowany na południe i nachylony względem poziomu pod kątem 35 – 40° daje w Polsce najwyższe, średnioroczne uzyski energii elektrycznej. Ale nawet przy większych odchyleniach od orientacji optymalnej i nachyleniu np. 25° instalacja fotowoltaiczna jest nadal opłacalna.
Z wykresu (rys. 9) można wyliczyć straty uzysku, w sytuacji gdy nie można uzyskać ustawienia optymalnego. Jeśli nie można zorientować generatora solarnego na południe, korzystniejsze jest mniejsze nachylenie.
Rys. 7. Zmiana mocy modułu w zależności od temperatury
Rys. 8. Zmiana charakterystyki oraz położenia punktu MPP w zależności od temperatury
Rys. 9. Straty uzysku w zależności od nachylenia i orientacji
Rys. 10. Zmiana współczynnika AM w zależności od położenia Słońca
Instalacja fotowoltaiczna przy nachyleniu 30°, nawet przy orientacji 45° na południowy-zachód dostarcza jeszcze 95% uzysku optymalnego. Nawet przy orientacji na wschód lub zachód można jeszcze liczyć na 80% uzysku, jeśli nachylenie mieści się w zakresie 25 – 40°. Zimą korzystniejsze jest wprawdzie większe nachylenie, ale instalacja wytwarza 2/3 uzyskiwanej energii latem. Należy jednak unikać nachylenia mniejszego od 20°, gdyż wtedy znaczny wpływ na zmniejszenie mocy ma zanieczyszczenie powierzchni generatora.
Ponieważ instalacje solarne wymagają stosunkowo dużych powierzchni, można rozdzielić powierzchnię generatora na różne połacie dachu. Jeśli połacie mają różną orientację i nachylenia, to każdy z generatorów musi współpracować z własnym inwerterem. Zapewni to optymalne dopasowanie i tym samym uzysk energii. Nie jest to jednak warunek konieczny wtedy, gdy połacie różnią się tylko nachyleniem.
dr inż. Grzegorz Lange
„Doradca Energetyczny” 3/2012
Literatura:
[1] Fotowoltaika – znaczący rozwój na świecie, Ewa Klugmann-Radziemska „Energetyka cieplna i zawodowa” –Raport 12/2009, 1/2010
[2] www.solarpraxis.de
[3] Wytyczne projektowe Vitovolt, nr 5368 768, 6/2009, materiały firmy VIESSMANN
[4] Fotovoltaik: Strom ohne Ende, Thomas Seltmann, Viessmann Werke GmbH & Co.
[5] www.bioenergiadlaregionu.eu/pl/doktoranci/artykulydoktorantow/ogniwosloneczne
[6] Aspekty techniczne I ekonomiczne wykorzystania urządzeń energoelektrycznych w fotowoltaicznych układach wytwórczych, dr Mariusz Kłos, Mariusz Kocęba, prof. Józef Paska, Łukasz Rosłaniec, Politechnika Warszawska, Zakład Elektrownii Gospodarki Elektroenergetycznej, www.elektroenergetyka.org/7/42.pdf
[7] www.solarshop.pl
[8] Sunny Life Technologies, AC Prim Sp. z o.o., www.solarshop.pl
[9] Fotowoltaika, Sunny Life Technologies
[10] Sunny Family 2010/2011, katalog firmy SMA
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym
inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
więcej informacj: Świat Szkła 7-8/2012
