W ostatnim czasie fotowoltaika jest bardzo popularną dziedziną produkcji energii elektrycznej. Dzieje się tak za sprawą ekologi tego rozwiązania i możliwości związanych ze zmniejszeniem wysokich rachunków za prąd. Poniżej zostanie przedstawione, w jaki sposób powinien wyglądać projekt instalacji fotowoltaicznej.
Instalacja fotowoltaiczna – informacje wstępne
Najpierw należy przedstawić, jak wygląda instalacja fotowoltaiczna. Schemat instalacji musi zawierać w sobie przede wszystkim panel fotowoltaiczny. Jednak do jego działania niezbędne jest wiele innych elementów, które są następujące: falownik zwany inaczej inwerterem, system mocujący, specjalne okablowanie, dwukierunkowy licznik energii elektrycznej.
W tej instalacji najważniejszym elementem jest panel – ogniwo fotowoltaiczne. Budowa tego elementu wygląda następująco. To półprzewodnik, przetwarzający energię z promieniowania słonecznego w prąd elektryczny, a wykorzystuje do tego własne właściwości fizyczne. Promienie słoneczne padające na ogniwo powodują zachodzenie zjawiska fotowoltaicznego. Z powodu właściwości chemicznych, najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem do budowy ogniw jest krzem, który ma cztery elektrony, a im większa jest ich ilość, tym szybciej zachodzi zjawisko fotoemisji. Do instalacji paneli niezbędne są ogniwa fotowoltaiczne. Budowa takiego ogniwa składa się z dwóch warstw półprzewodnika. Pierwsza warstwa jest przezroczysta i cienka i znajduje się w górnej część, natomiast nad nią umieszczana jest ujemna elektroda i powłoka antyrefleksowa. Na samym spodzie jest elektroda dodatnia. Obie warstwy oddzielane są za pomocą potencjałów. Należy wspomnieć, że panele słoneczne, które zbudowane są z ogniw, to najbardziej kosztowny element całej instalacji.
Drugim elementem instalacji fotowoltaicznej jest falownik. Rolą tego urządzenia jest przemiana energii słonecznej z paneli w energię elektryczną, która jest użyteczna w urządzeniach domowych. Panele instalacji fotowoltaicznej wytwarzają prąd o stałym natężeniu, a urządzenia elektryczne korzystają z prądu zmiennego. Całość tego procesu zamiany energii ma miejsce w tym urządzeniu. Falowniki z uwagi na nagrzewanie się do wysokich temperatur mają krótszą żywotność od pojedynczego panela fotowoltaicznego. W większości instalacji używany jest jeden falownik prądu. Cała instalacja działa w optymalny sposób, kiedy panele są równomiernie zaopatrzone w energię słoneczną. Zdarza się, że jeden panel osłabia całą moc instalacji. Dlatego wykorzystywane są mikroinwertery. Liczba takich urządzeń jest równa liczbie paneli. Gwarancja na poszczególne falowniki wynosi od 5 do nawet 10 lat, ale, jak widać , jest wyraźnie krótsza niż na panele słoneczne.
Instalacja składa się również z systemu montażowego. Instalacja paneli do zbierania energii słonecznej wymaga konstrukcji do mocowania, którą panele są mocowane do powierzchni dachu. W Polsce najbardziej popularne systemy wykonywane są z aluminium, jest to lekki metal, który zbytnio nie obciąża dachu. Istnieją jeszcze systemy naziemne, które nie wymagają przytwierdzenia do dachu lub podłoża. Instalacja systemu montażowego jest bardzo ważna, gdyż zapewnia prawidłowe zamocowanie wszystkich ogniw i jest gwarancją, że podczas niesprzyjających warunków atmosferycznych konstrukcja zachowa swoją sprawność. Właściwe zamontowany system zapewnia nie tylko trwałość takiego rozwiązania, ale również chłodzenie i wentylowanie paneli.
Odpowiedniej mocy instalacje prądu składają się z kilku do kilkunastu paneli. Jednak w zależności właśnie od mocy i sprawności instalacje mogą magazynować energię. Magazyn energii pozwala na akumulowanie gromadzonej energii w czasie produkcji. W momencie niedoboru uwalnia ją do sieci. Dzięki temu urządzeniu podniesiona jest efektywność funkcjonowania systemu. Istnieje wiele modeli magazynów energii o różnej mocy działania. Jedna z firm produkuje specjalnie dedykowane magazyny energii do paneli fotowoltaicznych. Urządzenie dzięki mocy zapewnia wysoką sprawność przetwarzania, a także wysoką odporność na zmiany temperatur.
Przedostatnim, ale równie ważnym elementem, z którego składa się instalacja, są zabezpieczenia przepięciowe. To elementy chroniące cały układ przed sprzężeniami i przepięciami. W instalacjach stosowane są dwa rodzaje ograniczników. Pierwsze to zabezpieczenia na prąd zmienny, a drugie na prąd stały. Odpowiednia jakość produktów i innowacyjność sprawiają, że elementy chronią najważniejsze składniki systemu fotowoltaicznego.
Do sprawnego działania instalacji niezbędne są przewody solarne. Służą do łączenia modułów i inwertera. Każda instalacja składa się z podanych powyżej elementów, ale nie może działać bez właściwego okablowania. Sposób na połączenie paneli to łączenie szeregowe. Przy instalacji ważnym etapem jest izolowanie kabli, które są przecież narażone na działanie wilgoci i deszczu oraz mrozu w naszej szerokości geograficznej. Istotne jest korzystać tylko z niezawodnych kabli, które są zaopatrzone w homologacje i międzynarodowe certyfikaty, potwierdzające jakość. Kable są wysoce odporne ozon, oleje i inne chemikalia.
Jak budować schematy systemów fotowoltaicznych – wskazania praktyczne
Instalacje fotowoltaiczne mogą być stosowane z powodzeniem w praktycznie każdym miejscu, w którym pojawia się słońce. Wymogi związane ze schematem instalacji wynikają z miejsca, gdzie ma być umieszczona oraz celu, do jakiego będzie wykorzystywana. Elementami podstawowymi, które mają wpływ na system, są sposób wykorzystania produkowanej tak energii, powierzchnia montażowa ogniw, a także wielkość energii, którą właściciel chce uzyskać z instalacji. Przy zastosowaniu podanych powyżej kryteriów, specjaliści są w stanie dobrać odpowiedni schemat systemu.
Wyróżnia się trzy sposoby budowania systemów fotowoltaicznych. Pierwszy to system prosty, w którym ogniwa zasilają w bezpośredni sposób urządzenia. Drugi to system umiarkowany, w którym ogniwo fotowoltaiczne jest podłączane do odbiornika, a dodatkowo dostępny jest falownik zamieniający prąd stały w przemienny. Trzeci system to profesjonalny schemat, który umożliwia magazynowanie energii. System zawiera elementy występujące w poprzednim, jednak dodatkowym w nim składnikiem są akumulatory, które umożliwiają magazynowanie energii. System ten może być stosowany zarówno w schematach małych instalacji, jak i bardzo dużych.
Projekt instalacji musi uwzględniać pokrycie zużycia wraz z nadwyżką – co to oznacza?
Przykładowo instalacja fotowoltaiczna 5 kw jest znakomitym rozwiązaniem dla osób, których roczne zużycie energii nie przekroczy 5000 kW. Decydują się na to właściciele gospodarstw domowych, chcący zredukować, choć w części zużycie energii elektrycznej. Projekt instalacji powinien zakładać pokrycie zużycia wraz z nadwyżką. Przeciętny panel słoneczny w każdym roku wytwarza około 300 kWh energii. Taki wynik oznacza, że niezbędne jest około 15 paneli dla pokrycia zapotrzebowania energetycznego. W instalacji fotowoltaicznej bardzo ważna jest wydajność. Jeśli warunki instalacyjne nie pozwalają na zbyt dużą powierzchnię paneli, to należy zdecydować się na wydajne panele, zawierające mniejszą ilość ogniw.
Wydajność systemu przekładająca się wprost na czas zwrotu z inwestycji jest bezpośrednio powiązana z ilością słońca w danym regionie. W Polsce suma średnia promieniowania to 1000 kilowatogodzin na metr kwadratowy. Z kolei liczba godzin nasłonecznionych w roku to około 1600.
Podsumowanie
Fotowoltaika daje duże możliwości. Coraz więcej osób indywidualnych i firm wykazuje zainteresowanie panelami słonecznymi. Jedyną wadą systemu jest dziś to, że urządzenia do produkcji energii elektrycznej ze słonecznej są drogie. Dlatego koszt wytworzenia elektrycznej w przeliczeniu na kilowatogodzinę jest wciąż wysoki i przekłada się na długi czas zwrotu. Może on sięgać od kilku do kilkunastu lat. Naturalnie okres zwrotu musi być kalkulowany indywidualnie, w zależności od tego, czy instalacja ma być wykorzystywana dla celów prywatnych, czy też zarobkowych.
