Jak zbudować instalację PV?
| FotowoltaikaDla większości ludzi instalacja fotowoltaiczna to przede wszystkim panele. Poniekąd słusznie, ale nie zapominajmy, że jak w każdym systemie mamy tu tak naprawdę wiele elementów. Szczególną uwagę należy poświęcić inwerterowi (falownikowi) oraz temu w jaki sposób zostaną z nim połączone panele.
Najważniejsze zalecenie dla wszystkich, którzy planują założyć panele fotowoltaiczne to zachować chłodną głowę i przygotować się do rozmowy z przedstawicielem firmy instalacyjnej. Wprawdzie dobry (czytaj: sprawny) handlowiec sprzeda nawet karmę dla ptaków w komplecie do zegara z kukułką, ale klient dysponujący pewnym minimum wiedzy nie da się nabrać na marketingowe sztuczki. Przede wszystkim nie ma czegoś takiego jak jedno najlepsze rozwiązanie. Dlatego najważniejsze jest abyśmy zrozumieli podstawowe zasady budowy i działania systemu fotowoltaicznego. Nie chodzi tu o wiedzę na poziomie inżyniera, lecz o informacje zrozumiałe dla każdego, kto kieruje się zdrowym rozsądkiem.
Ważne parametry paneli PV
Jakie cechy paneli są ważne? Przede wszystkim nie ekscytujmy się wysoką mocą pojedynczego panelu, ani wyśrubowaną sprawnością ogniw. Bo tak naprawdę jakie znaczenie ma fakt, czy nasz panel ma 280, 350 czy 380 W? Na początek sprawdźmy wówczas, czy wszystkie porównywane modele mają te same wymiary. Bo wzrost mocy może być po prostu skutkiem tego, że dany panel ma większą powierzchnię. Ale nawet przy ich dokładnie takich samych wymiarach zewnętrznych, wysoka moc jednostkowa nabiera znaczenia tylko wówczas, gdy dysponujemy ograniczoną przestrzenią montażu. Wówczas np. 2 panele mniej mogą robić dużą różnicę, bo od tego będzie zależeć, czy system zmieści się na jednej połaci dachu. A układanie paneli na różnych połaciach – odmiennie zorientowanych względem stron świata lub inaczej nachylonych – zdecydowanie komplikuje cały system.
Warto jeszcze wspomnieć o tzw. panelach dwustronnych (bifacial). Są one nieco inaczej zbudowane, a ogniwa mogą pochłaniać promieniowanie słoneczne padające na ich obie strony. Teoretycznie daje to wzrost mocy i uzysku energii nawet o kilkanaście procent. Jednak w rzeczywistości jest to możliwe tylko w dość szczególnych warunkach. Obie strony panelu muszą być wystawione na działanie słońca. W przypadku typowego montażu na dachu skośnym nie wchodzi to w grę, bo panel niemal leży na pokryciu. Efekt będzie za to odczuwalny w przypadku paneli założonych na osobnej konstrukcji wsporczej na gruncie lub płaskim dachu. Jednak nawet tu konieczne jest jasne, dobrze odbijające światło podłoże, a kąt nachylenia nie powinien być zbyt płaski. Przy tym spodnia strona ogniw skierowanych na wschód lub zachód otrzyma więcej światła, niż kiedy całość skierowana jest na południe. W tym ostatnim przypadku spodnia strona znajdzie się przecież od północy, czyli z najmniej nasłonecznionej strony.
Podobnie jak z mocą jednostkową jest ze sprawnością. Z samego faktu, że jedne ogniwa mają 19%, a inne 21% sprawności nic jeszcze nie wynika. To akurat wartości typowe dla paneli krzemowych monokrystalicznych. Wykonane w innej technologii mogą mieć równie dobrze sprawność na poziomie 10% (ogniwa cienkowarstwowe). Jeżeli dostępność miejsca nas nie ogranicza, to powinniśmy przede wszystkim porównać cenę za 1 kWp mocy zainstalowanej oraz inne parametry paneli, np. przewidywaną trwałość i długość gwarancji. Myśląc o cenie, jaką przyjdzie nam zapłacić za 1 kWp mocy, uwzględniajmy przy tym całą sytuację i pełne koszty instalacji. Na przykład różnica pomiędzy 17 lub 20 panelami może się dla zupełnie nas nie liczyć ze względu na miejsce. Ale jeżeli system ma być zbudowany z użyciem mikroinwerterów – po jednym na panel – to różnica nabiera już konkretnego znaczenia w sensie finansowym (3 mikroinwertery więcej lub mniej). Jak widać, nawet w tak prostej z pozoru sprawie, jak liczba paneli, nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Jeśli koszty będą te same, to zastosowanie większej liczby paneli może mieć pewną zaletę. Mianowicie uszkodzenie jednego panelu jest mniej kłopotliwe. Przekłada się na mniejszy spadek mocy całości, a wymiana wadliwego egzemplarza najpewniej będzie tańsza.
Co oznacza moc?
Koniecznie trzeba wyjaśnić co tak naprawdę oznacza moc paneli fotowoltaicznych. Standardem w branży jest podawanie przede wszystkim mocy zainstalowanej, jako tzw. mocy szczytowej w kWp (lub Wp). Określenie „szczytowa” jest tu bardzo dobre, bo taką moc osiąga się w naszym klimacie sporadycznie. Moc podaje się praktycznie zawsze dla warunków testowych, określanych skrótem STC (Standard Test Conditions). Najważniejsze z nich to nasłonecznienie 1000 W/m2 oraz temperatura panelu 25°C. Ale u nas nawet latem słońce rzadko świeci aż tak mocno. Przez większość czasu mikroelektrownia osiąga więc mniej niż połowę mocy zainstalowanej. Nieco lepiej polskim realiom odpowiada moc podana w warunkach określanych jako NOCT (Normal Operating Cell Temperature). Tu mamy odpowiednio 800 W/m2 , temperaturę paneli 20°C oraz uwzględnia się chłodzący je wiatr o prędkości 1 m/s. Ten parametr znajdziemy w dokumentacji (w karcie produktu). Różnica jest spora bo ten sam panel może mieć np. 350 W (STC) oraz 260 W (NOCT). Najważniejsze, żebyśmy zawsze porównywali moc określaną w tych samych warunkach.
Podkreślmy jednak, że uzyskiwana w rzeczywistych warunkach moc będzie wartością bardzo zmienną. Zależy bowiem przede wszystkim od natężenia promieniowania słonecznego (nasłonecznienia). Ponadto ważnym czynnikiem jest temperatura panelu. Podkreślmy – jego samego, a nie otoczenia. Pod wpływem słońca panel może się znacznie rozgrzać. A mamy tu sytuację odwrotną niż w przypadku kolektorów słonecznych – wysoka temperatura jest niekorzystna i obniża ilość pozyskiwanej energii. Dlatego najlepiej jeśli ustawimy je w miejscu nasłonecznionym, lecz przewiewnym i zapewnimy swobodny ruch powietrza także od spodu paneli (wentylowana szczelina powietrzna). Warto jeszcze wspomnieć, co oznacza podawana niekiedy tzw. pozytywna tolerancja mocy. Moc paneli, nawet tych pochodzących z jednej partii produkcyjnej, nigdy nie jest identyczna. Dlatego w ich charakterystyce (w katalogach, na karcie produktu) podaje się dopuszczalną tolerancję mocy. Pozytywna oznacza, że moc panelu może być faktycznie wyższa od deklarowanej, lecz nie będzie mniejsza. Czasem spotkamy np. taki zapis -0/+5%, co oznacza, że pozytywna tolerancja mocy wynosi właśnie 5%. Zwykła tolerancja mocy (+/- 5%) oznaczałaby natomiast, że moc panelu może być zarówno o 5% mniejsza jak i większa od deklarowanej. I tu zaczyna się kłopot, jeśli panele łączone są szeregowo, a tak jest najczęściej. Wówczas moc całego takiego ciągu, złożonego np. z 10 sztuk spada do poziomu najsłabszego ogniwa. W efekcie zamiast np. 10 × 300 W = 3000 W otrzymujemy 10 × 285 W = 2850 W. Ma się rozumieć, że mówimy o mocy maksymalnej w warunkach testowych STC.
Jaką funkcję pełnią inwertery?
Inwerter to drugi zasadniczy element każdego systemu PV. Bowiem ogniwa dają prąd stały (jak z baterii), a do zasilania większości domowych urządzeń potrzebujemy prądu przemiennego, czyli takiego samego jak płynący w sieci energetycznej. Ponadto bez udziału inwertera nie będziemy w stanie przekazać wytworzonego prądu do sieci. Rezygnacja z inwertera i wykorzystanie prądu stałego jest możliwa, ale należy do rzadkości. Można w ten sposób bez problemu zasilać oświetlenie LED, niektóre urządzenia elektroniczne, grzałki do podgrzewania wody. Ale takie rozwiązania stosuje się praktycznie tylko w systemach działających całkowicie poza siecią – w domkach letniskowych czy przyczepach kempingowych. Zwykle nawet najprostsze zestawy, przeznaczone tylko do podgrzewania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.), wykorzystują typowe grzałki i proste przetwornice prądu.
Potrzeba wysokiej jakości sprzętu żeby prąd miał rzeczywiście idealnie sinusoidalny przebieg (tzw. czysty sinus), niezbędny do właściwej pracy urządzeń z silnikami i nowoczesną elektroniką. Proste przetwornice się do tego nie nadają. Inwertery on-grid oraz hybrydowe, zapewniają zaś pełną synchronizację parametrów z siecią zewnętrzną. Inwerter to zawsze znaczny wydatek, nawet na najmniejsze, przeznaczone do instalacji ok. 3 kWp, trzeba wydać kilka tysięcy złotych. Po panelach to najdroższy element mikroelektrowni. Mogą być 1-fazowe lub 3-fazowe, przy czym 3-fazowe są droższe nawet przy tej samej mocy. Jednak powyżej 3,7 kW mocy znamionowej dostępne są już tylko urządzenia 3-fazowe.
Najczęściej używane i najtańsze są falowniki pracujące tylko w trybie on-grid, czyli przy pełnej synchronizacji z siecią. Co ważne, w razie zaniku napięcia w sieci, one też się wyłączają. Innymi słowy, w razie awarii sieci nie skorzystamy z prądu z własnej mikroelektrowni. Natomiast inwertery hybrydowe mogą działać zarówno w połączeniu z siecią jak i niezależnie od niej, uniezależniając nas w pewnym stopniu od dostaw energii. Najczęściej korzysta się z nich w połączeniu z magazynem energii. Natomiast falowniki i instalacje typu off-grid, czyli działające wyłącznie bez kontaktu z siecią należą do rzadkości. Różne warianty współpracy mikroinstalacji z siecią omawiamy dokładniej w artykule na str. 62. Tu wybór konkretnego rozwiązania zależy od tego czemu w ogóle ma służyć nasza instalacja i ile gotowi jesteśmy za nią zapłacić.
Co do wyboru konkretnego falownika, to należy przede wszystkim przestrzec przed ich przewymiarowywaniem, czyli kupowaniem o większej mocy niż moc zainstalowanych paneli. To błąd nie tylko dlatego, że taki falownik będzie droższy. Obniży się też jego sprawność, bo ta zmniejsza się przy niewielkim obciążeniu. Pamiętajmy zaś, że panele przez większość czasu swojej pracy uzyskują moc znacznie mniejszą od teoretycznego maksimum, bo natężenie promieniowania słonecznego jest mniejsze niż w warunkach testowych. Przewymiarowanie zaś jeszcze pogłębia ten problem. Ponadto z czasem moc paneli spada, ubytek wynosi ok. 1% rocznie. Po 10–15 latach tym bardziej będzie widać, że przewymiarowanie inwertera było złym pomysłem. Już lepiej wybrać nieco mniejszy, bo będzie on częściej pracować w warunkach pełniejszego obciążenia prądem.
Amator praktycznie nie jest w stanie ocenić jakości falownika. Tym bardziej, że same dane katalogowe różnych modeli mogą być niemal identyczne. Tak naprawdę pozostaje mu zdać się na renomę producenta i rekomendację instalatora. Ci z nich, którzy działają w branży od dłuższego czasu, faktycznie są w stanie osądzić, czy dane urządzenie się sprawdza i pracuje bezawaryjnie.
Stringi, wejścia MPPT i optymalizatory
W większości instalacji, panele łączone są w ciągi nazywane też łańcuchami lub stringami. Zwykle to połączenie szeregowe, czyli takie, w którym napięcie wszystkich paneli się sumuje, a natężenie prądu pozostaje stosunkowo niskie, równe występującemu na poziomie pojedynczego panelu. Taki rozwiązanie umożliwia więc przekazanie do falownika prądu wytworzonego przez nawet kilkanaście paneli za pomocą stosunkowo cienkich przewodów i zachowując łatwość podłączenia (jedno „wejście” inwertera wystarcza na kilkanaście paneli). Budowa układu jest więc dość prosta, a komponenty potrzebne do jego wykonania (przewody, bezpieczniki itd.) są stosunkowo tanie.
Jednak, jak to zwykle w życiu, nie ma rozwiązań idealnych. Największą wadą jest fakt, że przy połączeniu szeregowym wydajność całego łańcucha paneli zależy od jego najsłabszego ogniwa. Uszkodzenie któregoś z nich, czy choćby jego częściowe zacienienie, powoduje automatycznie spadek wydajności (uzysku energii) wszystkich paneli w danym stringu do poziomu najmniej wydajnego egzemplarza. Wspominaliśmy już o tym zjawisku, pisząc o tolerancji mocy paneli. Drugi kłopot to znaczny wzrost napięcia prądu płynącego przez przewody. Bo o ile jeden panel dawał np. 60 V prądu stałego (DC), to po szeregowym połączeniu 15 z nich otrzymujemy już 900 V. To duża wartość, wymagająca bardzo solidnej izolacji przewodów, szczególnie starannego wykonania wszelkich połączeń, grożąca ciężkim porażeniem i stwarzająca ryzyko pożaru. Dlatego zdecydowanie nie ma co oszczędzać na jakości użytych komponentów (przewody, złącza, bezpieczniki), a tym bardziej na fachowości montażu. To rękojmia naszego bezpieczeństwa.
Wracając jednak do kwestii właściwego działania stringów, trzeba wyjaśnić, jak zapobiegać stratom mocy, wynikającym z nierównomiernego oświetlenia paneli, ich zacienienia lub uszkodzenia. Jeśli moc mikroinstalacji jest bardzo niska, np. 3 kWp, to wystarczy założyć 8–10 paneli. Taką ich liczbę można zmieścić na jednej połaci dachu, żeby wszystkie były tak samo oświetlone, połączyć szeregowo w jeden łańcuch (string) i podłączyć do jednego wejścia falownika. Czyli wszystko prosto i tanio, dzięki temu, że każdy panel pracuje w identycznych warunkach. Co jednak zrobić, jeśli panele muszą być ułożone na odmiennie zorientowanych połaciach dachu, czy choćby pod różnym kątem? Wówczas potrzebujemy falownika z przynajmniej dwoma wejściami MPPT. Falownik będzie traktował każdą z grup paneli jako osobny obwód.
Nie można przy tym mylić liczby wejść MPPT z samą liczbą wejść do przyłączenia stringów. Inwerter może mieć np. 2 wejścia na stringi lecz tylko jedno wejście MPPT, albo 2 wejścia MPPT i aż 4 wejścia na stringi (2 × 2). Szczególnie w przypadku falowników o większej mocy to często spotykane. W tym drugim przypadku możemy mieć 4 stringi (np. 2 × 3 kW oraz 2 × 2,5 kW), lecz w ramach każdej z par przyporządkowanych do jednego wejścia MPPT stringi powinny mieć identyczną charakterystykę.
Niestety, bywa, że nie da się uniknąć choćby okresowego zacienienia niektórych paneli (cień może rzucać komin, lukarna, drzewo). A pamiętajmy, że wystarczy to, żeby zepsuć parametry pracy całego łańcucha. Wówczas straty można ograniczyć stosując tzw. optymalizatory. To urządzenia elektroniczne, w które wyposaża się każdy panel. Ograniczają one straty mocy wynikające z częściowego zacienienia czy nieco odmiennego ustawienia danego panelu. Ponadto dzięki nim można monitorować pracę każdego panelu z osobna i dzięki temu np. wcześnie wykryć ewentualne uszkodzenie. Jednak trzeba podkreślić, że optymalizatory nie zwiększają uzysku energii. One pozwalają zminimalizować ewentualne straty. Jeżeli panele tak samo wyeksponowane na słońce i wolne od zacienienia, to optymalizatory nie przyniosą korzyści. A są to urządzenia dość kosztowne, w cenie kilkuset złotych za sztukę.
Czym są i jak działają mikroinwertery?
Największą swobodę w budowaniu instalacji i dopasowywaniu parametrów jej pracy daje zastąpienie jednego centralnego falownika mikrofalownikami (mikroiwerterami). To też falowniki, lecz o znacznie mniejszej mocy, z których każdy odbiera i przekształca prąd tylko z jednego panelu. Te urządzenia zakłada się zwykle w pobliżu paneli, a z resztą instalacji w budynku łączy je już okablowanie przewodzące prąd przemienny (taki jak w sieci). Największą zaletą tego rozwiązania jest indywidualne dopasowanie parametrów pracy każdego panelu i falownika. Nie ma stringów, tak więc nie ma też problemów z psuciem ich możliwości przez najsłabsze ogniwo. Oczywiście, możemy też monitorować działanie każdego panelu z osobna i szybko wykryć ewentualne nieprawidłowości.
Nie jest też żadnym problemem rozbudowa istniejącej instalacji - w każdej chwili możemy dodać kolejny panel oraz mikroinwerter. Dotychczasowe będą zaś działać bez zmian. Warto też wspomnieć o kwestiach bezpieczeństwa. Ryzyko groźnego dla zdrowia porażenia właściwie nie istnieje. Natomiast powstanie łuku elektrycznego i pożaru także jest bardzo mało prawdopodobne. Tu przecież mamy do czynienia tylko z takim prądem elektrycznym, jaki powstaje w pojedynczym panelu. Napięcie wynosi więc zaledwie kilkadziesiąt woltów, a nie kilkaset, jak w długim stringu. Zagrożenie jest o wiele mniejsze, niż w domowej instalacji prądu przemiennego.
Jarosław Antkiewicz
fot. Zeneris Projekty/BMI Braas/Stilo Energy/Kratki Energy/Nibe-Biawar