Strona dla uczniów technikum

 

Strona główna

Galeria Mapa strony Historia Kontakt PSBiG Filmy  

Technik urządzeń i systemów energetyki odnawialnej

 

     Vademecum energetyki odnawialnej

Energia wód płynących Energia słoneczna Energia geotermalna Energia wiatru
Pompy ciepła Biomasa Biogaz Energia oceanów
Ustawy i rozporządzenia
 
 Jesteś:
Energia słonecznaOgniwa fotowoltaiczneProjektowanie instalacji fotowoltaicznych

3.7 Projektowanie instalacji fotowoltaicznych

3.7.1. Wiadomości wstępne

3.7.2. Planowanie pola kolektorów PV

3.7.3 Dobór falowników

3.7.4 Dobór średnic przewodów w instalacji PV.

3.7.5 Projektowanie instalacji wyspowych

3.7.6 Projektowanie zabezpieczeń prądowych

 

 

 


3.7.1. Wiadomości wstępne

 

W Polsce przepisy dla instalacji fotowoltaicznych dość dynamicznie się zmieniają i na dzisiaj (03.2016), trudno jednoznacznie określić w którym kierunku pójdą.  Może się okazać, że wybór typu instalacji PV zostanie narzucony przez gminę w ramach miejscowych "Planów Gospodarki Niskoemisyjnej". Projektant instalacji PV musi więc zdawać sobie sprawę z ciążącej na nim odpowiedzialności i na bieżąco śledzić wszystkie rozporządzenia. Z uwagi na wysokie koszty całej instalacji, wydaje się, że dodatkowym elementem projektu powinna być analiza zwrotu poniesionych wydatków w oparciu o aktualne i przewidywane taryfy, systemy ich rozliczania (np. net-metering), wielkość dofinansowania w gminie, a nawet obowiązujące stopy procentowe w bankach. Pamiętajmy, że instalacja fotowoltaiczna jest specyficzna i nie zalicza się do instalacji niezbędnych do funkcjonowania budynku. Nie ma więc obowiązku jest projektowania (przynajmniej na razie). Stanowi raczej przykład działalności gospodarczej w miejscu zamieszkania (instalacje on-grid) i aby pozwoliła zarobić inwestorowi, musi spełniać wszystkie niezbędne wymagania.

 

Projektowanie instalacji PV sprowadza się generalnie do określenia:

- ilości modułów PV

- sposobu i miejsca ich lokalizacji

- ilości i typu falowników

- przekroju przewodów

- zabezpieczenia prądowego instalacji

Z uwagi na różne typy instalacji PV, pracujących na wyspę i na sieć EE, przebieg projektowania i dobór falownika musi uwzględniać także ten aspekt. W  instalacjach pracujących w systemach off-grid (na wyspę) dodatkowym elementem jest magazyn energii.

Projektowanie można przeprowadzać ręcznie lub skorzystać z gotowych programów do projektowania instalacji PV np. Kyocera, SMA, PowerOne itp.

3.7.2. Planowanie pola kolektorów PV

 

Moduły PV mogą być umieszczane niemal w dowolnym miejscu na budynku lub obok budynku. Wybór lokalizacji zależy od rodzaju ogniw PV, kąta padania promieni słonecznych w danej lokalizacji, konstrukcji dachu, dostępności powierzchni (zacienienia).  Poniżej na rys. przedstawiam przykładowe miejsca lokalizacji.

Rys. Miejsca lokalizacji modułów PV. Od lewej: na dachu skośnym, zintegrowane z dachem skośnym, na dachu płaskim, zintegrowane z dachem płaskim, pionowo na elewacji, zintegrowane z elewacją, na dachu szedowym, skośnie na elewacji, jako wolnostojące w terenie.

 

3.7.2.1 Odległości między kolektorami

 

Kolektory położone na dachu stromym położone są w odległości zależnej od systemu montażowego. W większości przypadków klemy montażowe tzw. "środkowe", leżące między panelami PV zapewniają odstęp rzędu 2,5cm, zarówno w pionie jak i w poziomie. Przy obliczaniu minimalnego wymiaru pola paneli PV, należy więc wziąć pod uwagę wymiary zewnętrzne paneli i minimalny odstęp między nimi.

Rys. Minimalne wymiary pól paneli PV.

 

            

Gdzie *1, *2 Minimalne odległości między panelami.

 

Przy panelach zamocowanych na dachu płaskim lub gruncie, na konstrukcji wsporczej i ustawionych w rzędach, występuje problem zacienienia następnego rzędu przy nisko położonym Słońcu nad horyzontem.

 

Rys. Minimalna odległość między rządami paneli PV zamocowanymi na dachu płaskim lub gruncie.

 

 

Odległość między rzędami należy wtedy ustalać według wzoru:

 

 

Gdzie:

h - wysokość pola paneli PV

α - kąt montażu paneli PV względem poziomu

β - minimalny kąt padania promieni słonecznych

 

Wartość kąta β - przyjmuje się według maksymalnego położenia Słońca nad horyzontem w dniu przesilenia zimowego. W warunkach polskich przesilenie zimowe (najdłuższa noc w roku) następuje w dniu 21 grudnia. W dniu tym Słońce przebywa najwyżej nad horyzontem około godziny 12.00. Kąt padania promieni waha się wtedy od 12 stopni na Przylądku Rozewie do 18 stopni na Opołonku (szczyt w zachodnich Bieszczadach). Średnio dla kraju jest to około 15 stopni.

 

3.7.2.2 Kąt ustawienia paneli PV

 

Wartość kąta α - zależy od miejsca posadowienia modułów (południe, północ Polski) i waha się od około 25-40º dla paneli PV zamocowanych na południu kraju, do 30-50º dla konstrukcji zamocowanych na północy Polski. Dla innych kątów i dla odchylenia od kierunku południowego, występują spadki uzyskiwanej mocy paneli. Średnia wielkość takiego spadku może być odczytana z tabeli poniżej:

Tabela. Procentowa wielkość promieniowania słonecznego docierająca na powierzchnię w zależności od kąta ustawienia paneli (oś pionowa) i azymutu (oś pozioma) (rys. Europejski Fundusz Rozwoju Wsi Polskiej).

 

Z tabeli widać, że największą, 100% moc paneli uzyskamy przy kącie ustawienia od 30-40º przy kierunku południowym. Bardzo wysoki uzysk energii wystąpi też przy tym samym kącie, ale azymucie nieznacznie przesuniętym w kierunku zachodnim lub wschodnim (do 15º). Przy panelach ustawionych pionowo (np. konstrukcje dwustronne) i kierunku południowym spadek mocy wyniesie 29%.

 

3.7.2.3 Wielkość energii z instalacji fotowoltaicznej

 

Wielkość energii produkowanej przez panele PV możemy wyznaczyć ze wzoru:

 

 

gdzie:

Erz - rzeczywista ilość energii przypadająca na powierzchnię modułów w ciągu roku

I - nasłonecznienie w kWh/m2 w danej miejscowości przyjmowane według map insolacji, w przeliczeniu na płaszczyznę poziomą

k - współczynnik korekcyjny w zależności od kąta nachylenia paneli PV (oś pionowa) i odchylenia od południa (oś pozioma)

Pm- moc modułów PV warunkach STC [kWp]

ww - współczynnik wydajności modułów zależny od ich sprawności w zależności od temperatury, strat na przewodach, falowniku, diodach bocznikujących, a także z uwagi na straty przez chwilowe zacienienie, zabrudzenie (zakurzenie modułów), niedopasowanie prądowo-napięciowe, itp. (można przyjmować:

- straty na diodach 0,5%

- straty na falowniku - przyjąć sprawność euro-η falownika

- straty na przewodach wyznaczane ze wzoru

gdzie:

I - natężenie prądu dopływającego do falownika [A]

l - sumaryczna długość przewodów w [m]

U- napięcie na wejściu do falownika

σ - opór właściwy przewodów (dla miedzi  54 m/Ωxmm2)

 

STC - natężenie promieniowania w warunkach STC [1000W/m2] lub 1kW/m2

 

Tabela. Współczynnik korekcyjny w zależności od kąta pochylenia paneli i azymutu względem południa.

 

Przykład. Oblicz moc rzeczywistą 30 paneli PV zamocowanych na dachu płaskim pod kątem 30 stopni i w kierunku południowym. Moc pojedynczego panelu w warunkach STC wynosi 250Wp a współczynnik strat 20%. Budynek położony w Lublinie.

Rys. Insolacja (nasłonecznienie) w Polsce. dane za lata 2004-2010.

 

Obliczenia:

 

3.7.2.4 Zacienienie kolektorów PV

 

Wybór miejsca montażu paneli PV musi uwzględniać możliwość zacienienia nie tylko przez sąsiadujące panele, ale także od innych obiektów, jak:

- kominy

- wykusze dachowe

- pobliskie drzewa

- sąsiednie wysokie budynki itp.

Wielkość rzucanego cienia, jego zasięg i czas trwania zacienienia są zagadnieniem niezmiernie trudnym do oszacowania na podstawie obserwacji ruchu Słońca w danej miejscowości. Trzeba tutaj wziąć pod uwagę porę roku, azymut budynku, kąt padania promieni. Wyodrębnienie stref zacienionych na dachu nie kończy tematu. Cień przesuwa się w ciągu dnia i zachodzi pytanie - jak bardzo wpływa na osłabienie wydajności poszczególnych paneli? Czy np. 30 minut zacienienia jest wystarczające aby w tym miejscu nie projektować panelu, skoro przez następnych 8 godzin jest on oświetlony?

  Przy dachach budynków skierowanych na południe strefy zacienienia od obiektów na dachu są zwykle symetryczne po ich obu stronach. Jeśli budynek ma dach odchylony od południa to:

- przy dachach odchylonych w kierunku południowo-zachodnim (SW), bardziej zacieniona jest część dachu skierowana na zachód od przeszkody (patrząc na dach)

- przy dachu odchylonym w kierunku południowo-wschodnim (SE), bardzij zacienione będa fragmenty dachy na wschód od przeszkody.

Bardzo dobrze zilustrował to na swoim blogu Pan Bogdan Szymański (zdjęcia poniżej)

 

 

 

Taka informacja to dla nas dalej zbyt mało aby dokonać selekcji obszarów. Skąd bowiem mamy wiedzieć jak długo będą zacienione poszczególne strefy i jak to wpłynie na wydajność paneli. Niezbędnym okazuje się tutaj program komputerowy do projektowania instalacji PV. Poniżej przedstawiam przykładowe screeny z wybranego programu. Oto mamy dach budynku z wysokim kominem i rosnącym w pobliżu drzewem, które rzucają cień na połać dachu.

 

Fot. Wysoki komin i pobliskie drzewo powodują zacienienia znacznej części dachu

 

Przy pomocy programu komputerowego możemy szybko ustalić jak bardzo wpływa to na wydajność paneli usytuowanych na tym dachu. Programy są tak skonstruowane, że użytkownik wprowadzając dane dotyczące lokalizacji budynku i usytuowania połaci dachu względem południa, od razu określa insolację w danej lokalizacji i kąt padania promieni słonecznych. Program bardzo szybko przekłada to na procentową utratę nasłonecznienia w poszczególnych fragmentach dachu. 

Rys. Screen z programu komputerowego. Kolorem zielonym oznaczono fragmenty dachu o korzystnej lokalizacji. Pomarańczowym - niekorzystnej.

 

Na tej podstawie możemy już dokonać selekcji wybierając miejsca o najmniejszej procentowej utracie energii. Gotowy projekt i wykonana instalację możemy zobaczyć na kolejnych ilustracjach.

Ryc. Projekt układu paneli i gotowa instalacja.

 

Przy jakiej procentowej wartości zacienienia powinniśmy zrezygnować z montażu paneli? Czy 5% to dużo czy mało? Zobaczmy kolejny screen z programu.

Rys. procentowa wartość zacienienia modułów PV przy oknie wykuszowym.

 

Widać na nim, że moduły znajdujące sie blisko wykusza zarówno po jego lewej jak i prawej stronie są dość silnie zacienione. Silne zacienienie 7,6% ma też moduł w pobliżu komina na górze dachu. Przy takim rozwiązaniu w instalacji wystąpią z pewnością duże straty mocy, nawet przy falownikach z dwoma MPP trackerami. Korzystniej jest zrezygnować z kilku paneli, nawet pozornie tracąc na mocy całej instalacji, ale zyskując wzrost jej sprawności. W końcowym efekcie może się okazać, że roczna produkcja energii będzie większa o kilka procent.

Rys. Propozycja usunięcia paneli o zbyt dużym zacienieniu.

 

Dokonując selekcji paneli należy zwrócić uwagę na ich pozostałą ilość. Pamiętajmy, że do falownika należy łączyć stringi składające się z tej samej ilości modułów.

 

2.5 Układ paneli na dachu

 

Jak projektować panele na dachu, w pozycji pionowej czy poziomej? Które rozwiązanie jest bardziej optymalne? Aby odpowiedzieć sobie na to pytanie, należy zapoznać się z problemem zacienienia modułów i spadkiem ich wydajności. Z analizy charakterystyk I-V modułów wynika, że przy zagrożeniu zacieniania dolnego rządu ogniw korzystniejszy jest układ poziomy paneli, który dalej generuje moc, choć w osłabieniu. Zacienienie dolnych rzędów pojawia się głównie na dachach:

- o małym kącie nachylenia przy zaleganiu śniegu lub liści

- płaskich

Problem ten dotyczy też paneli z grubymi ramkami, na których łatwo zatrzymują się zanieczyszczenia i śnieg. W takim wypadku korzystniej jest mocować panele poziomo.

Przy dachach o dużym kącie nachylenia >45 stopni, układ paneli może być pionowy lub poziomy i wybór zależy bardziej od optymalizacji powierzchni i zamykania się modułów tak, aby zmieścić ich na dachu jak najwięcej.

   Przy rosnących w pobliżu budynku drzewach i cieniu padającym na dolne partie dachu, można w dolnych partiach umieścić panele poziomo a w górnych poziomo lub pionowo, dla optymalizacji powierzchni.

 

Testy
Egzamin zawodowy
Materiały do zajęć
Ciekawe linki