Komponenty automatyki przemysłowej - podstawa nowoczesności

Komponenty do instalacji energetyki odnawialnej

Wsparcie ze strony programów pomocowych bezsprzecznie determinuje tu popyt, bo można podać wiele przykładów na to, że za rozwój rynku OZE w dużej części odpowiadają programy wspierające rozwój za pomocą dotacji, pożyczek preferencyjnych na inwestycje oraz ułatwienia w zakresie formalnym. Jest to ważne szczególnie w zakresie tzw. mikroinstalacji, bo dla inwestorów indywidualnych wielotysięczny wydatek związany z budową jest dużym kosztem, trudnym do zrealizowania w ramach budżetu domowego. Dlatego "Czyste powietrze" oraz "Mój prąd" cieszą się w kraju powodzeniem (znacznie bardziej niż wcześniejszy "Prosument"). Aktualnie mamy w kraju ok. 65 tys. mikroinstalacji (o mocy do 10 kWp). Jest to szczególnie ważne w Polsce, gdzie energetyka odnawialna jest solą w oku lobby węglowego i źródłem tarć politycznych. Źródła OZE wymagają stabilności prawnej i biznesowej a każda niestabilność, czego przykładem może być ustawa o regulacji lokalizacji farm wiatrowych, przez lata odbija się negatywnie na sprzedaży.

PROGRAMY POMOCOWE NIOSĄ TEŻ PATOLOGIE

Programy rządowe wspierające rozwój instalacji energii odnawialnej tworzą też problemy związane z brakiem kompetencji wielu firm zajmujących się obecnie branżą fotowoltaiki. To dlatego, że rynek fotowoltaiczny przez ostatnie dwa lata wykazywał ponadprzeciętny wzrost z miesiąca na miesiąc, przez co przyciągnął wielu ludzi o profesjach niepowiązanych z techniką oraz firmy, które przebranżowiły się z kompletnie odległych tematycznie dziedzin. Im więcej jest takich przypadkowych przedsiębiorstw, tym bardzo ograniczona możliwość wyboru rzetelnego i kompetentnego dostawcy i wykonawcy z poziomu klienta. Gdy klientowi brakuje wiedzy na tematy techniczne, a dostawcy kompetencji, do głosu dochodzi niska cena. Skutkiem są także nieoptymalne instalacje lub wręcz błędne projekty, zamknięcie się na nowe technologie oraz niechęć do edukacji.

Najważniejsze cechy ofert brane pod uwagę przy kupowaniu komponentów do OZE

 

Cena jest najważniejszym kryterium selekcji produktu w obszarze energii odnawialnej i nie jest to zaskakujące, gdy weźmie się pod uwagę fakt, że wiele projektów w tym obszarze zmaga się z problemem opłacalności, rynek wymaga dotacji, taryf gwarantowanych dla energii, gwarancji bankowych, a tempo rozwoju determinują w dużej mierze regulacje prawne. Poza ceną cała reszta też może być uznana za standard – parametry, jakość, termin dostawy są zawsze na takich wykresach na szczycie. Jedyną różnicą w przypadku rozwiązań odnawialnych jest duże znaczenie certyfikatów i aprobat technicznych w selekcji produktu.

ZNACZENIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ STALE SIĘ ZWIĘKSZA

Energia elektryczna stale drożeje, przez co opłacalność budowy instalacji odnawialnych stale się poprawia. Komponenty wykorzystywane w instalacjach są też coraz tańsze i lepsze, bo na przestrzeni lat zostały one dopracowane w szczegółach i są wytwarzanie masowo. Pojawiły się też nowe podzespoły półprzewodnikowe dużej mocy, które zapewniły w tym obszarze większą funkcjonalność, w tym głównie wyraźnie lepszą sprawność, dzięki czemu falowniki są mniejsze, a więc też tańsze. Ceny spadły także dlatego, że rynek znacznie się poszerzył, bo ekologiczne zasilanie jest dzisiaj trendem istotnym w skali całego świata.

Nasz kraj przyjął przed laty na siebie zobowiązania do tego, aby część wytwarzanej energii elektrycznej pochodziła ze źródeł ekologicznych, bo UE jest liderem w zakresie technologii źródeł odnawialnych na świecie, a Polska będąc członkiem wspólnoty, musi się dostosować do uzgodnionych progów i udziałów. Nasze zobowiązania są podwaliną biznesu dla wielu krajowych firm zajmujących się tą tematyką. Nawet jeśli w tym zobowiązaniu większością są źródła bazujące na biomasie lub elektrownie wodne, to i tak w jakimś ułamku zostaje miejsce na te technologie bliższe elektronice.

Ważne i poszukiwane produkty

 

Listę najbardziej istotnych z punktu widzenia dystrybutorów produktów z obszaru PV otwierają oczywiście panele fotowoltaiczne, ale trzeba dostrzec, że drugim istotnym produktem w obszarze energii odnawialnej są kable połączeniowe, złącza oraz sprzęt elektroinstalacyjny, głównie zabezpieczenia. Falowniki, akumulatory i kontrolery instalacji uplasowały się wyraźnie niżej, zapewne z powodu silniejszej konkurencji, mniejszej marży handlowej oraz także ograniczonej dostępności. Panele i falownik tworzą sztywny rdzeń projektu, nierzadko narzucony ekonomicznie, w reszcie jest większa elastyczność wyboru.

KOMPONENTY SOLARNE

Na rynku dystrybucji jest coraz więcej komponentów specjalizowanych, a więc zaprojektowanych specjalnie pod kątem pracy w instalacjach energii odnawialnej. Głównie chodzi tutaj o wersje dla instalacji fotowoltaicznych (PV), do których potrzebne są przewody o dużym przekroju i odpornej na wpływ środowiska izolacji, po to, aby zapewnić małe straty mocy, małe 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 warunkach (np. na dachu). Stąd ważna jest jak najmniejsza liczba operacji wymaganych do wykonania połączenia. Oczekiwana jest także możliwość łączenia za pomocą tego samego elementu przewodów o dość szerokim zakresie przekrojów (np. 2,5‒6 mm2).

W tej grupie zawierają się ponadto przekaźniki i styczniki umożliwiające przełączanie obwodów stałoprądowych o dużej mocy. W dalszej kolejności są to komponenty sieciowe, elementy systemów pomiarowych (mierniki mocy, układy akwizycji danych, rejestratory napięć i prądów) i podobne. Łącznie całość tworzy bardzo szeroki asortyment produktów, w których pojawia się też wiele nowości.

Instalacje energii odnawialnej integrują w sobie wiele urządzeń technicznych, a jeśli skala inwestycji jest duża, jak w farmach, to także o zaawansowanej funkcjonalności. To dlatego, że duże obiekty są zarządzane i obsługiwane zdalnie za pomocą modułów i układów pomiarowych połączonych w sieć. Konieczne są do tego elementy systemów pomiarowych i urządzenia wykonawcze, urządzenia infrastruktury sieciowej w różnych standardach, konwertery protokołów, kontrolery. Takich urządzeń jest bardzo dużo, a wiele ponadto ma uniwersalny charakter i pasuje do wielu aplikacji.

Częścią instalacji PV są też komponenty zabezpieczające, głównie chodzi o ograniczniki przepięć. Następny ważny element to falownik, który zawsze był elementem specjalizowanym, ale lista zawiera też elementy drobne, niemniej cały czas wykorzystywane, jak chociażby przetwornice DC- DC małej mocy o odpornej na przebicie izolacji wykorzystywane do zasilania wydzielonych obwodów, np. tych związanych z komunikacją lub monitoringiem stanu.

Istotne nowości rynku produktów do OZE

 

Za istotne nowości rynku produktów związanych z instalacjami energii odnawialnej specjaliści uznali produkty specjalizowane (dedykowane) od kątem takich aplikacji. Kolejne pozycje nie wybijają się aż tak bardzo w zestawieniu, poza rozwiązaniami dla domu, a więc kompletami produktów składających się na całość mikroinstalacji na dach domu jednorodzinnego.

ZAPEWNIENIE JAKOŚCI JEST KLUCZOWE

Opłacalność inwestycji w instalację energii odnawialnej jest zwykle definiowana w długim horyzoncie czasowym sięgającym 20‒25 lat. Dla sprzętu, który w tym czasie musi pracować na zewnątrz, jest to spore wyzwanie jakościowe, bowiem wpływ środowiska w tak długim czasie jest destrukcyjnie silny. Promieniowanie ultrafioletowe pochodzące od słońca, wilgoć i rosa, duże zmiany temperatury w cyklu dzień–noc, wszechobecny kurz, a nawet obecność zwierząt, które są w stanie zębami zniszczyć izolację przewodów, tworzą trudne warunki eksploatacji wymagające użycia produktów o gwarantowanej jakości. W tym obszarze jest to zagadnienie kluczowe, bo inwestorzy są zainteresowani zyskami przy planowej konserwacji, a nie wiecznym serwisowaniem uszkodzeń.

DUŻE INSTALACJE

Mówiąc o rynku energii odnawialnej i produktach kierowanych do OZE, należy pamiętać, że sektor ten tworzy kilka gałęzi, które nierzadko są daleko od siebie odsunięte tak, że tworzą inne rynki. Do pierwszej grupy można zaliczyć duże instalacje PV lub wiatrowe obliczone i skonstruowane pod kątem wytwarzania dużej ilości energii elektrycznej, która trafia wyłącznie do sieci energetycznej. Takie instalacje nazwane są farmami i zwykle są budowane przez koncerny energetyczne i spółki zajmujące się wytwarzaniem energii. Z uwagi na skalę inwestycji są one poza zasięgiem rynku dystrybucji, bowiem kupno, instalacja i serwis to efekty umów na wysokim szczeblu.

Drugą kategorię tworzą instalacje działające w mniejszej skali, o mocy rzędu 10 kWp. Instalowane są one przez odbiorców indywidualnych, małe i średnie firmy, które wytwarzaną energię zużywają na własne potrzeby, a ewentualne nadwyżki sprzedają do sieci. To najbardziej perspektywiczny sektor rynku i atrakcyjny z punktu widzenia dystrybucji. Trzeci segment obejmuje najmniejsze instalacje na dachy budynków jednorodzinnych, typ. 3 kWp. One nie muszą być połączone z siecią energetyczną.

Potencjał biznesowy rozwiązań OZE

 

Najważniejszy potencjał biznesowy kryje się dzisiaj w instalacjach fotowoltaicznych przeznaczonych dla odbiorców indywidualnych. Jest to wynik istnienia wydzielonych funduszy wsparcia dla klienta indywidualnego i zapewniania szybszej weryfikacji wniosków w urzędach. O tym, że ta pomoc ma kolosalne znaczenie można się przekonać po tym, że drugie najważniejsze źródło energii odnawialnej – instalacje wiatrowe dużej mocy, na skutek polityki, przestały być wspierane i spadły na sam dół wykresu. Środek zestawienia zajęły rozwiązania przemysłowe i instalacje specjalistyczne.

IM MNIEJSZA MOC, TYM BARDZIEJ NISZOWY CHARAKTER

Energia odnawialna to także zasilanie małych urządzeń i instalacji w warunkach braku sieci energetycznej. Takie potrzeby są domeną urządzeń specjalistycznych i nietypowych rozwiązań, od podświetlania oznakowania, reklam drogowych, przez dostarczanie zasilania do pomiarowych stacji telemetrycznych. Wystarczy się rozejrzeć po okolicy, aby dostrzec, że takie rozwiązania stają się coraz bardziej popularne: stacje wypożyczania rowerów są zasilanie z niewielkich paneli słonecznych. Podobnie jest ze znakami ostrzegającymi o nadmiernej prędkości, wskazujących kierunek ruchu lub tworzących światła obrysowe.

Takie aplikacje z reguły wykorzystują małe panele PV – systemy bazujące na niewielkich generatorach wiatrowych są statystycznie rzadkością. Zapewne powodem jest to, że energia słoneczna charakteryzuje się lepszą dostępnością, a same komponenty instalacji są trwalsze w porównaniu z rozwiązaniem mechanicznym. PV liczy się w takich zastosowaniach, bo jest najbardziej elastycznym systemem zasilania energią odnawialną, pozwala na skalowalność i integrację budynkiem.

Rozwój takich aplikacji specjalistycznych wynika też z tego, że elektronika do działania potrzebuje coraz mniej mocy zasilającej, a wydajność ledowych źródeł światła cały czas się poprawia. Faktem jest jednak to, że im mniejsza moc instalacji, tym bardziej niszowy ma ona charakter.

Z tej przyczyny zasilanie energią wolnodostępną (energy harvesting), która też zalicza się do "odnawialnej" stanowi ciekawostkę i pole do popisu dla świata nauki, a nie dla biznesu. Wydaje się, że jedyną komercyjną i masową aplikacją tworzy tutaj osprzęt instalacyjny EnOcean, gdzie budynkowe wyłączniki oświetlenia mają wbudowaną poruszaną klawiszem prądnicę z magnesem i cewką do zasilania nadajnika bezprzewodowego. Podobnie jest z ogniwami paliwowymi – dekadę temu były one zapowiadane jako technologia, która lada moment zrewolucjonizuje urządzenia mobilne, a w praktyce są domeną sprzętu wojskowego, gdzie jak wiadomo, koszty są najmniejszym problemem.

WYSOKIE NAPIĘCIE STAŁE TO DUŻE NIEBEZPIECZEŃSTWO

Instalacje fotowoltaiczne są w dużej części instalacjami stałoprądowymi. Oznacza to, że ich zabezpieczenie nadprądowe, zwarciowe i przepięciowe jest trudniejsze, niż wymagają tego równoważne mocą obwody prądu przemiennego. Powodem jest trudność w gaszeniu łuku elektrycznego powstającego na stykach, bo nie ma tutaj zjawiska jego samoczynnego wyłączenia przy przejściu sinusoidy przez zero. W efekcie styczniki, bezpieczniki i przekaźniki muszą mieć specjalną konstrukcję, np. z magnesami wydmuchującymi zjonizowaną plazmę do komór gaszeniowych i inne sprytne rozwiązania, które mają wpływ na ich cenę. Duże znaczenie zabezpieczeń przepięciowych dla instalacji PV to z kolei wynik tego, że panele są elementami półprzewodnikowymi, a więc z natury elementami podatnymi na przebicie napięciowe.

Można zgrubnie przyjąć, że jeden typowy panel wykonany z krzemu polikrystalicznego zapewnia ok. 240 watów mocy wyjściowej przy pełnym oświetleniu słonecznym, tj. ma napięcie robocze 30 V i dostarcza prąd rzędu 8 A. Taką wydajność zapewnia 60 zawartych w nim ogniw połączonych szeregowo. Typowa wartość wygenerowanego napięcia przez ogniwa krystaliczne wynosi 0,5‒0,6 V (złącze p-n), zatem 60 ogniw zapewnia mniej więcej podane wcześniej 30 V napięcia wyjściowego. Bez obciążenia napięcie jest trochę wyższe i wynosi ok. 40 V, ale w praktyce napięcie wyjściowe panelu niewiele się zmienia w funkcji oświetlenia. Wynika to z charakterystyki prądowo-napięciowej złącza p-n.

Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rozwoju rynku komponentów do energii odnawialn

 

Dwa najważniejsze czynniki sprzyjające rozwojowi rynku energii odnawialnej, w tym komponentów służących do budowy instalacji, to rosnące ceny energii elektrycznej ze źródeł tradycyjnych oraz wsparcie finansowe dla inwestorów. Dość wysoko ulokowała się w zestawieniu świadomość ekologiczna klientów oraz to, że duża funkcjonalność urządzeń zapewnia łatwość instalacji i użytkowania takich instalacji. Coraz wyższe rachunki za prąd przesuwają granicę opłacalności instalacji i ustalają na nowo wiele wskaźników używanych do szacowania zwrotu z inwestycji. Jest to czynnik tak samo ważny, jak niska cena takich produktów.

sekcje instalacji, a dalej te sekcje równolegle po to, aby zapewnić odpowiednią moc. Dzięki temu napięcie robocze na wejściu falownika jest wysokie, co jak wiadomo, ma korzystny wpływ na straty mocy w połączeniach miedzianych, ale jednocześnie wymaga użycia wysokiej jakości kabli i złączy, aby uniknąć upływności do ziemi, przebić i porażenia obsługi prądem.

Konkretne wartości, ile paneli ma być połączone w szereg, zależą od użytego falownika, a dokładniej od zakresu napięć wejściowych, które on akceptuje. Dla orientacji można powiedzieć, że zakres wahań tego napięcia to ok. 200‒1000 V, a średnia to ok. 500 V DC. Wartości te uzmysławiają, że są to poziomy niebezpieczne pod wieloma względami: obsługi i eksploatacji, bo istnieje możliwość porażenia oraz w aspekcie przeciwpożarowym, gdyż wyładowanie łukowe jest tutaj bardzo destrukcyjne. Podstawowym zadaniem inwertera jest konwersja napięcia stałego otrzymywanego z modułów fotowoltaicznych na napięcie przemienne oraz znalezienie i praca instalacji w MPP (punkcie maksymalnej wydajności).

W przypadku dużych instalacji fotowoltaicznych z inwerterem centralnym stosuje się podział farmy na sekcje załączane/odłączane stycznikami. Umożliwia to niezależne odłączenie serwisowanej sekcji paneli PV od wywarzającego energię układu. Takie rozwiązanie pozwala na efektywną pracę instalacji PV bez kosztownych przestojów. Z kolei przy małych układach PV stosuje się w układzie zasilania stycznika tradycyjny wyłącznik bezpieczeństwa, pełni on też funkcję ochrony przeciwpożarowej.

Sprawia znacznie się komplikuje, gdy instalacja nie jest oświetlona równomiernie. Jeżeli choć jedno ogniwo modułu zostanie zacienione, to napięcie na tym ogniwie zmienia kierunek polaryzacji i zostaje ono spolaryzowane zaporowo. Złącze przy polaryzacji wstecznej może ulec przebiciu już przy kilku woltach (5÷25 V). W celu uniknięcia tych zagrożeń panele zawierają diody bocznikujące chroniące ogniwa przed taką sytuacją, ale całe sekcje też wymagają zabezpieczenia, realizacji możliwości ich odłączenia oraz oczywiście zapewnienia komponentów do monitorowania warunków działania poszczególnych sekcji.

Najważniejsze czynniki negatywne dla rynku komponentów OZE

 

Aktualnie największą przeszkodą w rozwoju rynku energii odnawialnej, jest pandemia. Nawet jeśli nie wywołuje ona zamykania zakładów pracy, to komplikuje logistykę towarów, przesuwa na przyszłość decyzje inwestorów i wprowadza ogólną niepewność do branży. Za drugi problem uznano tanie produkty o słabej jakości, które na rynku wrażliwym na cenę i o długim czasie życia produktu, jakim jest instalacja fotowoltaiczna, potrafią sporo namieszać złą jakością. Wysokie ceny dotyczą głównie paneli i akumulatorów, niemniej są one przeszkodą na rynkach, gdzie inwestorzy nie są zamożni.