Komponenty do instalacji energetyki odnawialnej

Opłacalność budowy instalacji odnawialnych stale się poprawia, a okres amortyzacji jest dzisiaj o kilka lat krótszy niż pięć lat wcześniej, bo energia elektryczna jest coraz droższa. Komponenty wykorzystywane w instalacjach są też coraz tańsze i lepsze, bo na przestrzeni lat zostały one dopracowane i są już wytwarzane na dużą skalę. Falowniki biją rekordy sprawności, są mniejsze i tańsze, co jest wynikiem zaawansowania technologii półprzewodnikowych oraz dużej konkurencji na rynku.

Opłacalność inwestycji w instalację energii odnawialnej jest zwykle definiowana w długim horyzoncie czasowym, np. sięgającym 20 lat. Dla sprzętu, który w tym czasie musi pracować na zewnątrz, jest to spore wyzwanie jakościowe, bowiem wpływ środowiska w tak długim czasie na produkty jest silny. Promieniowanie ultrafioletowe niszczy tworzywa sztuczne, wilgoć i rosa, duże zmiany temperatury w cyklu dzień–noc, wszechobecny kurz, a nawet obecność zwierząt, które są w stanie zębami zniszczyć izolację przewodów (jak np. kuny), tworzą trudne warunki eksploatacji wymagające użycia produktów o gwarantowanej w długim terminie jakości. W obszarze energii odnawialnej jest to zagadnienie kluczowe, bo inwestorzy, kalkulując opłacalność zakładają w praktyce brak konieczności jej serwisowania.

Akumulatory w systemach energii odnawialnej

Coraz więcej instalacji energii odnawialnej zawiera akumulatory, czyli ma lokalny magazyn energii, który jest remedium na największą wadę źródeł OZE, czyli nieprzewidywalność dostępnej mocy. Akumulator to niestety element kosztowny o ograniczonej trwałości, przez co magazynów energii w instalacjach OZE większej mocy i podłączonych do sieci jest relatywnie mało. Natomiast w rozwiązaniach specjalistycznych, małej mocy, obecność akumulatora jest oczywistością. W takich aplikacjach wykorzystuje się głównie akumulatory bezobsługowe kwasowo-ołowiowe typu AGM oraz różnego typu ogniwa litowo-jonowe. W ostatnich latach szybko popularyzują się LiFePO4 – z chemią litowo- żelazowo-fosforanową. Są one żywotniejszym i bezpieczniejszym wariantem akumulatora litowo-jonowego, który dodatkowo ma napięcie znamionowe takie jak wersja kwasowo- ołowiowa.

Ważne i poszukiwane produkty

 

W obszarze komponentów do instalacji energii odnawialnej poszukiwane produkty to przede wszystkim złącza, przekaźniki, przewody, które razem z panelami PV i falownikami pozwalają stworzyć instalację. Wynika z tego, że największe znaczenie na rynku mają systemy zasilania energią słoneczną i całe otoczenie, które się z nimi wiąże. Dotyczy to też instalacji off-grid, czyli niepołączonych z siecią energetyczną, na co wskazuje prawie 30% wskazań związanych z akumulatorami.

Wysokie napięcie stałe w instalacjach wymaga bezpieczeństwa

Wspólną cechą instalacji fotowoltaicznych jest to, że bazują one na napięciach stałych. Panele PV dostarczają na wyjściu napięcia o wartości zmieniającej się w szerokim zakresie zależnej od stopnia obciążenia, oświetlenia, temperatury oraz konstrukcji wewnętrznej panelu, tj. tego, ile zawiera on połączonych ogniw. Napięcie panelu bez obciążenia wynosi kilkadziesiąt woltów, pod obciążeniem napięcie jest mniejsze, można zgrubnie przyjąć, że wynosi ono około 30 V. Panele łączy się w łańcuchy szeregowe lub szeregowo-równoległe, aby prądy płynące w obwodach przy kilowatowej mocy były możliwie jak najmniejsze. Minimalizacja strat przesyłania oznacza więc w praktyce pracę instalacji przy kilkusetwoltowym napięciu roboczym, które generuje zestaw paneli i które jest dalej przetwarzane przez falownik.

Wysokie napięcie stałe, np. 600‒700 V, wymaga specjalnego podejścia technicznego i często komponenty solarne, takie jak złącza, przewody, zabezpieczenia, właśnie tym się różnią od rozwiązań ogólnego przeznaczenia, że mogą pracować przy wysokim napięciu stałym.

Komponenty instalacji energii odnawialnej

Najważniejszą częścią instalacji są źródła energii, a więc panele i ogniwa fotowoltaiczne, generatory wiatrowe i mechaniczne oraz ogniwa paliwowe. Różnią się one wielkością (mocą), sprawnością, ceną w odniesieniu do generowanej mocy i przeznaczeniem. Moduły fotowoltaiczne są przeważnie płaskie i zawierają od 18 do 180 monokrystalicznych lub polikrystalicznych ogniw krzemowych. Moc wyjściowa pojedynczego panelu wynosi ok. 250 Wp. Sprawności modułów komercyjnych zwiększają się z roku na rok wraz z poprawą technologii.

Na rynku znajduje się szeroki wachlarz modułów PV o różnej wielkości i tym samym mocy. Wytwarza się specjalne moduły, które są zintegrowane z dachami lub fasadami budynków. Produkowane są również wersje szczególnie odporne na korozję wywołaną słoną wodą morską. Znajdują one zastosowanie na łodziach żaglowych, znakach nawigacyjnych i latarniach morskich, gdzie muszą być szczególnie odporne na oddziaływanie słonej wody. Ostatnim osiągnięciem w tej dziedzinie jest wytworzenie półprzezroczystego modułu, który może być używany jako okno w budynkach, na przystankach w postaci kropek nałożonych na szybę.

Drugi ważny element to falownik solarny. Jest to specjalizowany konwerter przetwarzający napięcie stałe generowane przez panele na przemienne napięcie o parametrach takich samych jak sieć energetyczna. Aby możliwe było dostarczanie energii do sieci, falownik musi działać synchronicznie i generować napięcie trójfazowe. Gdy w instalacji jest przewidziany magazyn energii, czyli akumulator, układ staje się jeszcze bardziej skomplikowany, gdyż do jego obsługi wymagany jest dodatkowy konwerter 2-kierunkowy.

Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rozwoju rynku komponentów dla energii odnawialnej

 

Najważniejszym czynnikiem pozytywnie wspierającym rozwój rynku komponentów do instalacji energii odnawialnej są rosnące ceny energii ze źródeł tradycyjnych. Czynnik ten stał się wyjątkowo ważny w ostatnich miesiącach, razem ze znacznymi podwyżkami taryf oraz wojną. Wyraźnie mniejsze oddziaływanie ma świadomość ekologiczna społeczeństwa i to, że decyzje zakupowe są często jej pochodną. Tak uważa co drugi pytany przez nas w ankietach specjalista. Trzeci czynnik to zapotrzebowanie rynku na rozwiązania specjalistyczne, a więc możliwość realizacji zasilania w warunkach, gdzie nie ma sieci energetycznej lub konieczne jest stworzenie specjalnych warunków.

Falowniki przeznaczone do pracy w instalacjach mniejszej mocy, takich niepołączonych z siecią energetyczną, są oczywiście prostsze konstrukcyjnie. Często są one nazywane mikroinwerterami, czyli urządzeniami współpracującymi z pojedynczymi panelami, dobranymi do mocy pojedynczego modułu.

Te same rozważania dotyczą aplikacji, gdzie panele PV lub generator wiatrowy wyłącznie ładuje akumulator. Za każdym razem urządzenie to jest kluczowym elementem instalacji, odpowiedzialnym za sprawność i wydajność konwersji energii.

W przypadku generatorów wiatrowych problemy są podobne, bo napięcie generowane przez takie źródła nie nadaje się w większości przypadków do bezpośredniego wykorzystania praktycznego, gdyż waha się w dużym zakresie oraz nieliniowo zmienia się wraz z oświetleniem i siłą wiatru i obciążeniem.

Oferta rynku szybko się rozwija i dzisiaj mamy również wiele produktów o mniejszych wymiarach i mocy niż te standardowe jednostki o mocy 250 W, z których najczęściej zestawia się duże instalacje i montuje na dachach.

Komponenty specjalizowane

Na rynku dystrybucji jest coraz więcej komponentów specjalizowanych, a więc zaprojektowanych specjalnie pod kątem pracy w instalacjach energii odnawialnej. Głównie chodzi tutaj o wersje do instalacji fotowoltaicznych (PV), do których potrzebne są przewody o dużym przekroju i odpornej na wpływ środowiska izolacji, po to, aby zapewnić małe straty mocy i upływy, a więc bezpieczeństwo podczas wielu lat pracy. Kolejny element, gdzie widoczna jest specjalizacja aplikacyjna to złącza o minimalnych stratach, łatwe w montażu itd. Są to złącza kabel-kabel o dużej odporności na czynniki środowiskowe. Złącza solarne mają specjalną konstrukcję mechaniczną, bo instalatorzy wykonują swoją pracę często w niewygodnych pozycjach. Oczekiwana jest także możliwość łączenia za pomocą tego samego elementu przewodów o szerokim zakresie przekrojów.

Do instalacji niezbędne są ponadto przekaźniki i styczniki umożliwiające przełączanie obwodów stałoprądowych o dużej mocy, komponenty sieciowe do zdalnego zarządzania, elementy systemów pomiarowych, mierniki mocy, układy akwizycji danych, rejestratory napięć i prądów. Obowiązkową częścią instalacji są też komponenty zabezpieczające, głównie chodzi o ograniczniki przepięć od wyładowań atmosferycznych.