Archiwum kategorii: Fotowoltaika

Wydajność modułu fotowoltaicznego

Wydajność modułów fotowoltaicznych ma olbrzymie znaczenie na wielkość powierzchni którą będziemy potrzebowali do wykonania instalacji fotowoltaicznej (instalacji fotowoltaicznej o określonej mocy).
W przypadku występowania ograniczeń w zakresie dostępnej powierzchni, wtedy im wyższa wydajność zastosowanych modułów, tym większa będzie moc instalacji fotowoltaicznej którą będziemy w stanie na niej zainstalować.

Wydajność modułu fotowoltaicznego w pierwszej kolejności zależy od technologii w jakiej wykonany jest moduł fotowoltaiczny (krystaliczna, amorficzna). W przypadku technologii krystalicznej wydajność modułu w dużej mierze zależy od mocy i jakości zastosowanych płytek krzemowych. Tym samym im wyższa moc płytek krzemowych, tym wyższa moc modułu fotowoltaicznego.

Ponieważ pojedyncza płytka krzemowa może mieć moc znamionową w granicach 3,6 – 4,8 Wp (Watt Peak), dlatego wyprodukowane z nich moduły fotowoltaiczne będą miały moc znamionową odpowiednio ok. 210 – 280 Wp. Są to moce odpowiadające standardowym warunkom testowym STC, natomiast w praktyce zdecydowanie częściej występuje natężenie promieniowania na poziomie 200 – 400 Wm2. Wtedy też moc generowana z modułu fotowoltaicznego (posiadającego moc znamionową na poziomie 250 Wp) będzie wynosiła odpowiednio ok. 50 – 100 W.

Dodatkowo duży wpływ na wydajność modułów fotowoltaicznych ma ich temperatura – im wyższa tym spada wydajność (parametrem opisującym zmiany wydajności modułu fotowoltaicznego wraz ze zmianą temperatury jest współczynnik temperaturowy).

Możliwe jest również zastosowanie różnokolorowych płytek krzemowych, które z uwagi na specjalną technologię produkcji (w stosunku do standardowego koloru niebieskiego) tracą na wydajności 10-15 %. Jednakże w tym przypadku uzyskujemy efekt kolorystyczny, który pozwala na lepsze dopasowanie kolorystyczne instalacji fotowoltaicznej do obiektu na którym będzie on zamontowana.

Moc modułu nie daje jeszcze pełnego obrazu na temat jego wydajności, ponieważ wydajność odnosi się do mocy generowanej przez powierzchnię modułu fotowoltaicznego. Tym samym naszym celem bardzo często jest uzyskanie jak największej wydajności z jednostki powierzchni (szczególnie w przypadkach występowania ograniczeń powierzchni). Jednocześnie z uwagi na znaczny wzrost cen jednostkowych płytek krzemowych posiadających wyższe moce, warto dobrze zastanowić się nad rodzajem zastosowanych modułów fotowoltaicznych (stosunek mocy do ceny dla tej samej powierzchni).

Termografia w fotowoltaice

Termografia jest procesem wykorzystującym promieniowanie elektromagnetyczne w paśmie podczerwieni o długości fali od ok. 900 do 1.400 nm do obrazowania promieniowania cieplnego emitowanego przez ciała fizyczne. Badanie termograficzne wykonuje się przy pomocy kamer termowizyjnych.

Termografia

Dzięki termografii możemy badać różnice temperatur ciał stałych i na tej podstawie możemy:
– analizować straty ciepła w budynkach (audit energetyczny),
– straż pożarna i straż graniczna jest w stanie w dymie, nocy lub we mgle wyszukiwać ludzi (na podstawie różnic temperatur otoczenia i człowieka),
– badania procesów technologicznych (podwyższona temperatura części maszyn związana z ich zużyciem) oraz kontrola jakości,
badania medyczne (badania różnic temperatur różnych części ciała, np. badanie zatok, piersi),
energetyka (badanie linii energetycznych, w tym strat związanych z wydzielaniem ciepła).

Termografia

Szerokie spektrum zastosowań termografii odnosi się do optymalizacji energetycznej budynków, gdzie występuje olbrzymi potencjał ograniczania kosztów zużycia energii cieplnej. Każde miejsce w którym występuje podwyższony ubytek energii cieplnej wykazuje występowanie znacznych gradientów temperatur widocznych przy pomocy kamery termowizyjnej. Przeprowadzając szczegółową analizę termogramów (obrazów pochodzących z kamer termowizyjnych) jesteśmy w stanie ustalić temperaturę w dowolnym miejscu badanego obrazu. Obraz termograficzny zwykle można badać porównując go z obrazem rzeczywistym, przy czy jedynym ograniczeniem jest rozdzielczość. Z uwagi na dużo informacji zapisanych w obrazie termograficznym, zwykle posiadają one ograniczenia rozdzielczości (standardowa rozdzielczość wynosi 320×200 lub 640×320).

Termografia

Jednym z obszarów zastosowań termografii to badania mostków cieplnych w budownictwie, w miejscu gdzie bardzo często pojawia się wilgoć. Miejsca posiadające niższą temperaturę sprzyjają skraplaniu się wody i tym samy przy długotrwałym przekroczeniu poziomu wilgotności powyżej 70% występuje podwyższone ryzyko powstawania w nich pleśni oraz grzybów.

Termografia znalazła również szerokie zastosowanie w energetyce odnawialnej do oceny stanu instalacji fotowoltaicznych. Używając kamery termowizyjnej możemy ocenić jakość modułów fotowoltaicznych zastosowanych do budowy instalacji fotowoltaicznej. Moduł fotowoltaiczny w przypadku jednolitego nasłonecznienia występującego na całej jego powierzchni posiada jednakową temperaturę. Jednocześnie każda wada ukryta (np. uszkodzenie płytek krzemowych, występowanie Hot Spot-ów) może prowadzić do miejscowego podnoszenia się temperatury modułu fotowoltaicznego (w miejscu występowania takiej wady). Również niewłaściwe chłodzenie modułów fotowoltaicznych może zostać wykryte przy pomocy kamery termowizyjnej (max. temperatura pracy modułów fotowoltaicznego w wykonaniu standardowym wynosi 90 st. C).

Termografia

Termografia dzięki unikalnym własnościom posiada szerokie możliwości zastosowania w energetyce odnawialnej i często jest jednym z głównym narzędzi pozwalających na wykrycie obecnych lub przyszłych problemów (instalacji fotwoltaicznych oraz wiatraków).

Bezpieczeństwo energetyczne

Bezpieczeństwo energetyczne obejmuje wiele aspektów gospodarki energetycznej, które są istotne dla prawidłowego funkcjonowania nie tylko systemu energetycznego, ale przede wszystkim wszystkich obywateli.

Z jednej strony bezpieczeństwo energetyczne to ekologia, która wpływa nie tylko na zdrowie obywateli (czyste powietrze oznacza mniej zachorowań, mniej wizyt u lekarza i tym samym niższe wydatki na opiekę zdrowotną), ale ma również olbrzymie znaczenie na występujące zmiany klimatyczne (topnienie lodowców, podnoszenie się wód oceanów, zmiany koncentracji gazów cieplarnianych czy zmiany kierunków róży wiatrów).

Bezpieczeństwo energetyczne

Z drugiej strony bezpieczeństwo energetyczne to zapewnienie ciągłości zasilania w energię elektryczną na przestrzeni czasu. W systemie energetycznym występują normalne warunki podaży i popytu, które sprawiają, że chcąc je między sobą równoważyć zmuszeni jesteśmy do podejmowania różnych działań w celu zapobieżenia możliwości wystąpienia blackout-u.

Tym samym biorąc pod uwagę przebieg szczytów energetycznych (wielkość popytu) w Polsce warto zwrócić uwagę na fakt, że niezależnie od miejsc generowania zwiększonego zapotrzebowania na energię zawsze występują podobne zachowania. Szczyt poranny rozpoczyna się w godzinach 5:00 – 6:00, kiedy większość obywateli wstaje i następne wykonuje typowe czynności związane z przygotowaniem się do wyjścia do pracy, szkoły, przedszkola. Następnie w godzinach 8:00 – 16:00 występuje stopniowy wzrost zapotrzebowania na energię związany z rozpoczęciem pracy przez firmy, biura, administrację państwową, szkoły, przedszkola, czy szpitale. Chcąc zaspokoić rosnące potrzeby energetyczne szczytu porannego podejmowane są różne działania mające na celu zwiększenie mocy generowanej w systemie energetycznym (uruchomienie elektrowni szczytowo-pompowych, uruchamianie rezerw opartych o źródła konwencjonalne).

Bezpieczeństwo energetyczne

Innym działaniem mogącym zabezpieczyć potrzeby energetyczne szczytu porannego jest energią elektryczna wytwarzana w źródłach prosumenckich (fotowoltaika, energetyka wiatrowa). Na przykład fotowoltaika generuje energię elektryczną dokładnie w okresach występowania szczytu porannego. Tym samym niezależnie od tego, czy popyt generowany jest przez prosumenta, czy też przez odbiorców zewnętrznych, energia szczytowa jest jak najbardziej pożądana przez rynek i powinna być konsumowana najlepiej bez magazynowania (magazynowanie oraz transformowanie to niestety straty i dodatkowo wzrost nakładów inwestycyjnych).

Ważnym elementem bezpieczeństwa energetycznego jest również dywersyfikacja źródeł energii, która będzie miała olbrzymie znaczenie w sytuacjach awaryjnych (awaria systemu energetycznego, konflikt zbrojny). Im większa liczba źródeł energii i im bardziej rozproszona, tym niższe koszty przesyłu oraz większe bezpieczeństwo związane z zapewnieniem ciągłości zasilania w energie elektryczną.

Bezpieczeństwo energetyczne

Oczywiście najlepszym rozwiązaniem jest możliwość zużywania energii w miejscu jej wytworzenia, jednakże w tym zakresie nie warto ograniczać się do tego samego budynku czy nieruchomości na którym występuje źródło energii. Nawet jak nie zużywamy energii elektrycznej jako prosumenci, to w szczycie zostanie ona zużyta przez najbliższe otoczenie i dlatego każde źródło energii szczytowej jest jak najbardziej pożądane przez gospodarkę i przez cały system energetyczny.

Dlatego warto jest inwestować w źródła energii elektrycznej, które wspierają system energetyczny i zwiększają bezpieczeństwo zasilania, przy jednoczesnym uwzględnieniu ich wpływu na atmosferę oraz środowisko naturalne.

Bezpieczeństwo energetyczne

Podłączenie instalacji fotowoltaicznej do sieci energetycznej

Najważniejszym kryterium decydującym o możliwości podłączenia instalacji fotowoltaicznej do sieci elektroenergetycznej jej wielkości.
Mikroinstalacje najczęściej pracują na niskim napięciu (220/380 V) i produkowana przez nie energia elektryczna może być zużyta bezpośrednio przez wytwórcę energii i/lub przez sąsiednie budynki – bardzo rzadko wymaga przesyłu energii elektrycznej na dłuższe odległości (w szczególności na obszarach silnie zurbanizowanych).

Mikroinstalacje najczęściej powstają na istniejących obiektach (budynki mieszkalne, hale produkcyjne) i w takich przypadkach w zależności od stanu istniejącego złącza kablowego, rozdzielnicy licznikowej, korytek kablowych, czy tablic bezpiecznikowych może wystąpić konieczność ich modernizacji lub dopasowania do wymagań planowanej instalacji fotowoltaicznej.

Podłączenie instalacji fotowoltaicznej

Miniinstalacje (moc powyżej 40kWp) mogą również pracować na niskim napięciu, przy czym wraz ze wzrostem mocy może wystąpić konieczność transformacji na średnie napięcie (od 1 do 60 kV, najczęściej 15 kV). Zwykle energię przesyła się w sieci energetycznejsieci energetycznej na dalekie odległości na średnim lub na wysokim napięciu, z uwagi na minimalizację strat energii – konieczność transformacji występuje w przypadku braku możliwości zużycia jej w miejscu wytworzenia.

Podczas przyłączenia instalacji fotowoltaicznej do sieci energetycznej może się pojawić konieczność wykonania układu pomiarowo-rozliczeniowego zarówno na napięciu niskim, jak również na średnim (rozliczenie ilości wyprodukowanej energii elektrycznej większość zakładem energetycznym).
Jednocześnie większość instalacji fotowoltaicznych posiada potrzeby własne, w związku z czym niezbędne jest wykonanie zasilania potrzeb własnych (zasilanie ogrzewania pomieszczeń roboczych, instalacji oświetlenia, systemu monitoringu i nadzoru oraz gniazd odbiorników 1 fazowych).

Podłączenie instalacji fotowoltaicznej

W przypadku lokalizacji instalacji fotowoltaicznej w miejscach zlokalizowanych w dużej odległości od istniejącej infrastruktury energetycznej (Rozdzielczego Punktu Zasilania RPZ, Głównych Punktów Zasilania GPZ lub stacji transformatorowej SN/nn) może wystąpić konieczność budowy brakującej linii energetycznej i/lub stacji transformatorowej. W takim przypadku koszt wykonania instalacji fotowolotaicznej może znacząco wzrosnąć, co może wpłynąć na niską rentowność takiego projektu.
Decyzję o warunkach podłączenia planowanej instalacji fotowoltaicznej podejmuje operator sieci energetycznej biorąc pod uwagę wiele elementów (m.in. związanych ze stanem oraz planami rozwoju sieci elektroenergetycznej, czy lokalizacją przyszłych odbiorców energii elektrycznej).

Przy dużych instalacjach fotowoltaicznych (moc powyżej 1 MWp) olbrzymie znaczenie na możliwość podłączenia nowych instalacji ma stan sieci energetycznej, odległości od odbiorców (rozpływ mocy), struktura zapotrzebowania w energię elektryczną oraz obecność linii przesyłowej średniego lub wysokiego napięcia w pobliżu miejsca planowanej instalacji fotowoltaicznej. Dodatkowo z powodu zapewnienia stabilności sieci energetycznej operatorzy dużych instalacji fotowoltaicznych muszą przedstawić przewidywany bilans produkcji energii elektrycznej (jest on szczególnie istotny w przypadku tzw niestabilnych źródeł energii elektrycznej).

Podłączenie instalacji fotowoltaicznej

Nowelizacja prawa energetycznego w postaci „Małego Trójpaku” gwarantuje mikroinstalacjom fotowoltaicznym bezpłatne przyłączenie do sieci energetycznej oraz minimalizację niezbędnych dokumentów (budowa może zostać zrealizowana w oparciu o zgłoszenie robót i tym samym nie wymaga uzyskania pozwolenia na budowę).

W przypadku instalacji większych inwestor zwykle ponosi połowę kosztów podłączenia do sieci, a ponadto najczęściej występuje również konieczność uzyskania pozwolenia na budowę.

Podłączenie instalacji fotowoltaicznej

Rewolucja energetyczna

Wraz z postępem technologicznym występujacym w elektronice następuje stałe zmniejszane się zużycia energii elektrycznej. Staje się to możliwe dzięki stałej miniaturyzacji elektroniki (aktualnie obecna jest technologia 45/32 nm to ponad 780 milionów tranzystorów, a na początku ery mikrokomputerów – początek lat 70 ubiegłego wieku – dominowała technologia 10 mikrometrów co odpowiadało ok. 3.500 tranzystorom).

Postęp technologiczny w elektronice

Dzięki miniaturyzacji maleje zużycie energii elektrycznej przez elektronikę, co wprost przekłada się na spadek zużycia energii urządzeń powszechnego użytku.
W praktyce postęp dotyczy wszystkich urządzeń i sprzętu elektronicznego występującego w gospodarstwie domowym. Przy czym z jednej strony oszczędności wynikają ze zmniejszonego zużycia energii elektrycznej przez elektronikę, ale z drugiej strony to właśnie dzięki elektronice jesteśmy w stanie dokładniej sterować pracą urządzeń powszechnego użytku (włączać, wyłączać, sterować elementami wykonawczymi urządzenia).

Postęp technologiczny w elektronice

Największy skok technologiczny w obszarze zużycia energii elektrycznej nastąpił w dziedzinie źródeł światła – wraz z rozwojem oświetlenia LED. Obecnie oświetlenie LED coraz szerzej wchodzi do naszych domów, a ponadto znajduje także coraz szersze zastosowanie w oświetleniu samochodów, ulic, czy bilbordów reklamowych. Oświetlenie LED przełożyło się również na spadek zapotrzebowania na energię odbiorników telewizyjnych (wcześniej pracowały one na lampach kineskopowych, obecnie to matryca diód LED, która do wyświetlenia obrazu potrzebuje zdecydowanie mniej energii elektrycznej).

Postęp technologiczny w elektronice

Również postęp w dziedzinie komputerów przynosi stały spadek zapotrzebowania na energię elektryczną. Pierwsze komputery stacjonarne to oprócz obudowy – w której znajdowała się jednostka centralna – również monitor z lampa kineskopową. Dzisiaj coraz mniej komputerów posiada tradycyjne dyski twarde, które również pobierają stosunkowo dużo energii podczas swojej pracy (generalnie unika się stosowania części mechanicznych). Dyski twarde zastępowane są przez miniaturowe pamięci półprzewodnikowe.
Najnowszą odmianą komputerów personalnych to tablety oraz smartfony, które dzięki swojej wielkości można mieć zawsze przy sobie – mogą one być ładowane przenośnymi ładowarkami solarnymi, które nie potrzebują dostępu do sieci elektroenergetycznej.

Korzystając z dobrodziejstw jakie niesie ze sobą postęp w dziedzinie elektroniki, przeciętna rodzina jest w stanie zaoszczędzić w ciągu roku ponad 50 % pierwotnej wartości zużycia energii elektrycznej (ponad 1 MWh w roku). Przy liczbie gospodarstw w Polsce wynoszącej 13.500.000 (dane za rok 2011), oszczędności energii elektrycznej mogą sięgnąć nawet 15.000 GWh w skali roku, co odpowiada 10% zużycia energii elektrycznej w Polsce (w ostatnich latach krajowe zużycie energii elektrycznej przekroczyło wartość 150.000 GWh).

Postęp energetyczny przyczynia się także do ciągłego spadku zużycia energii elektrycznej, który już w niedługiej przyszłości może się przełożyć na stopniowe zmniejszanie się globalnego zapotrzebowania na energię elektryczną w Polsce, w szczególności występującego wśród gospodarstw domowych. Podobne trendy obserwuje się również w krajach wysokorozwiniętych, jak chociażby w Niemczech, gdzie do kilku lat obserwuje się spadek zużycia energii elektrycznej (częściowo za ten spadek odpowiadają wzrosty cen energii elektrycznej). Mniejsze zużycie energii elektrycznej to jednocześnie niższe rachunki, co jest szczególnie istotne w krajach o wysokim udziale kosztów energii w budżecie domowym.

Postęp technologiczny w elektronice

W przyszłości wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną może wystąpić w sytuacji znaczących przyrostów liczby samochodów elektrycznych poruszających się po naszych drogach (doskonale wpisują się w rozwój energetyki prosumenckiej pochodzącej z odnawianych źródeł energii elektrycznej, takich jak fotowoltaika).

Produkcja modułów fotowoltaicznych

Technologia produkcji modułów fotowoltaicznych ma decydujący wpływ na jakość produktów i tym samym na okres bezawaryjnej pracy modułów fotowlotaicznych.

Każdy producent modułów fotowoltaicznych powinien posiadać aktualny certyfikat wyrobów, który z jednej strony potwierdza parametry modułów, a z drugiej strony z dużym prawdopodobieństwem pozwala przyjąć bezawaryjną pracę modułów w ciągu deklarowanego przez producenta okresu gwarancji (dzięki wykonaniu przyspieszonych badań starzeniowych).

Produkcja modułów fotowoltaicznych

Oczywiście certyfikacja wyrobów nie zabezpieczy kupującego moduł fotowoltaiczny przed ryzykiem związanym z wystąpieniem problemów w czasie późniejszej pracy instalacji fotowoltaicznej, jednakże powinna być pierwszym warunkiem podjęcia rozmów z dostawcą.

Z drugiej strony rodzaj wyposażenia produkcyjnego i stosowana technologia mają duży wpływ na możliwość wystąpienia wad seryjnych, wpływających na okres bezawaryjnej pracy instalacji fotowoltaicznej oraz na przyspieszony spadek jej wydajności (w normalnych warunkach spadek wydajności nie powinien przekraczać 0,5 – 1 % rocznie). Im niższy spadek wydajności modułów fotowoltaicznych, tym większa będzie ilość energii elektrycznej wyprodukowanej przez instalację fotowoltaiczną.

Produkcja modułów fotowoltaicznych

Wśród podstawowych wad seryjnych modułów można wymienić:
delaminacja lub przyspieszone starzenie folii kapsulacyjnej skutkujące żółknieniem lub powstawaniem nieszczelności modułu, co w pierwszym przypadku wpływa na spadek wydajności, a w drugim przypadku prowadzi do uszkodzenia modułu fotowoltaicznego,
zła jakość puszek przyłączeniowych oraz liczba diód bypasowych mogą wpłynąć na uszkodzenie modułu lub w skrajnym przypadku mogą nawet wywołać pożar,
– występowanie mikropęknięć modułów fotowoltaicznych, które przyspieszają spadek mocy instalacji fotowoltaicznej,
– niewłaściwe wykonanie elektrycznych połączeń wewnątrz modułowych może prowadzić do spadku wydajności modułu lub nawet do niebezpieczeństwa występowania błędów Hot Spot (mogą również doprowadzić do pożaru instalacji fotowoltaicznej),
– niewłaściwe dobranie ram aluminiowych i materiału uszczelnienia, które może spowodować występowanie nieszczelności modułów (uszkodzenie modułu).

W praktyce z powodu błędów seryjnych zdarzają się przypadki spadków mocy rzędu 30 – 40 % po pierwszym roku pracy instalacji fotowoltaicznej (wg. założeń nie powinny być wyższe niż 3 – 4 %)

Automatyzacja produkcji modułów fotowoltaicznych nie zawsze musi oznaczać brak błędów wewnętrznych, jednakże dzięki powtarzalności produkcji jest jednym z ważniejszych warunków ich wysokiej jakości i stabilności pracy instalacji fotowoltaicznej w dłuższym okresie jej użytkowania.

Produkcja modułów fotowoltaicznych

Błędy wewnętrzne modułów fotowoltaicznych z jednej strony powodują szybszy spadek wydajności instalacji fotowoltaicznej (zmniejszają się przychody), a z drugiej strony mogą doprowadzić do okresowego przymusowego wyłączenia instalacji fotowoltaicznej.

Oczywiście kupujący moduły fotowoltaiczne nie jest w stanie zabezpieczyć się przed wystąpieniem błędów związanych ze stosowaniem niewłaściwej ich technologii produkcji, jednakże na pewno jest w stanie ograniczyć ryzyko korzystając ze sprawdzonych rozwiązań (referencje, badanie rynku), czy też wykupując ubezpieczenie instalacji fotowoltaicznej.

Poza tym warto również wziąć pod uwagę fakt, że bezawaryjna praca instalacji to nie tylko jakość wykonania modułów fotowoltaicznych. Można przyjąć, że w co najmniej 50 % za jakość wykonania instalacji fotowoltaicznej odpowiedzialna jest firma montująca czyli tzw. instalator (błędy niewłaściwego montażu lub błędy popełnione jeszcze na etapie planowania instalacji fotowoltaicznej).

Biorąc pod uwagę fakt, że prawidłowo zaprojektowana i wykonana instalacja fotowoltaiczna może pracować bezawaryjnie przez okres co najmniej 25 lat (najsłabszym punktem każdej instalacji fotowoltaicznej na dzień dzisiejszy stanowią inwertery), dlatego warto podjąć trud jak najlepszego wyboru zarówno wyposażenia i osprzętu instalacyjnego, jak również wykonawców instalacji fotowoltaicznej.

Produkcja modułów fotowoltaicznych

Śledzenie punktu MPP (MPP tracking)

Maksimum Power Point (MPP) jest optymalnym punktem pracy zarówno pojedynczego modułu, jak również poszczególnych stringów składających się na instalację fotowoltaiczną i cechuje go najwyższa moc dla danych warunków pracy układu.

Po podpięciu stringu (ciągu modułów fotowoltaicznych) do wejścia inwertera automatycznie dobiera on optymalny punkt pracy układu (w praktyce sprowadza się to do dobrania określonej wartości prądu i napięcia pracy, które powinno dążyć do wartości MPP – maksymalizacja uzysku).

Śledzenie punktu MPP

Dostosowanie się inwertera do systemu fotowoltaicznego określane jest w praktyce śledzeniem punktu MPP (TPP Tracking) i ma duży wpływ na wydajność instalacji fotowoltaicznej.

W przypadku podłączenia modułów fotowoltaicznych posiadających bardzo różniące się moce instalacja fotowoltaiczna nie będzie pracowała w optymalnych warunkach i tym samym energia produkowana przez układ będzie daleka od oczekiwań. W takiej sytuacji inwerter będzie dopasowywał się do najsłabszych modułów podłączonych do niego w jednym ciągu – stringu (lepsze moduły, o większych wartościach prądu, będą stanowiły dla nas stratę).

Dlatego też, każdy inwerter ma 2 lub nawet 3 wejścia aby możliwe było podłączenie do niego modułów o zbliżonych parametrach elektrycznych.

Podobna sytuacja ma miejsce również w przypadku częściowego zacienienia instalacji fotowoltaicznej (część instalacji fotowoltaicznej okresowo zacienianą warto podłączyć do niezależnego wejścia inwertera i tym samym warto ją również wydzielić jako część instalacji fotowoltaicznej pracującej niezależnie).

Śledzenie punktu MPP

Bardzo ważnym elementem przy zakupie i późniejszym projektowaniu instalacji fotowoltaicznej jest posiadanie szczegółowych parametrów pracy modułów (każdy moduł fotowoltaiczny cechują różne parametry pracy, w szczególności w punkcie MPP), które będą pomocne przy optymalizacji warunków pracy całej instalacji fotowoltaicznej.
Podczas zakupu modułów fotowoltaicznych warto domagać się od sprzedawcy przedstawienia szczegółowej listy parametrów elektrycznych modułów fotowoltaicznych, tak aby podczas ich montażu wydzielić słabsze moduły i ewentualnie podłączyć je w postaci niezależnego stringu.

Tym samym podłączając moduły w szereg warto wziąć pod uwagę parametry ich pracy gdyż to ile energii wyprodukuje nasza elektrownia zależy zarówno od sposobu wykonania jak i od sposobu zaprojektowania instalacji fotowoltaicznej.

Śledzenie punktu MPP

Energia słoneczna

Słońce jest kulą zjonizowanego gazu składającego się głównie z gazów lekkich wodoru (74%) i helu (24 %), która emituje w przestrzeń kosmiczną olbrzymie ilości energii (natężenie promieniowania słonecznego wynosi 3,827×1026 W i jest emitowana radialnie).

Energia słoneczna

Do powierzchni ziemi dociera znaczna część energii promieniowania słonecznego, przy czym wielkość ta uzależniona jest od wielu czynników, z których najważniejsze to:
pora roku (wysokość słońca nad horyzontem i tym samym kąt padania promieni słonecznych na powierzchnię modułu fotowoltaicznego),
długość drogi promieniowania słonecznego jaką musi przejść przez atmosferę ziemską ,
zachmurzenie (w tym również wilgotność).

Gdyby nie było chmur i powietrza w atmosferze ziemskiej, wtedy do każdego miejsca na ziemi – zlokalizowanego pod określonym kątem do promieni słonecznych – docierała by taka sama wartość energii. Po drodze do Ziemi promieniowanie słoneczne ulega jednak znacznemu osłabieniu w związku z występowaniem gazów oraz cząstek stałych w atmosferze ziemskiej oraz z uwagi na zjawisko odbicia, pochłaniania oraz rozproszenia promieniowania słonecznego.

Energia promieniowania słonecznego docierająca do ziemi może być przetworzona na inne rodzaje energii (najczęściej cieplna i elektryczna). Skuteczność przetwarzania energii promieniowania słonecznego na energie elektryczną wynosi:
moduły fotowoltaiczne (14- 20 % – dla krzemu Si),
kolektory grzewcze (min. 45-50 % i zależy m.in. od rodzaju kolektora, warunków zewnętrznych oraz od rodzaju zastosowanego czynnika).

Energia słoneczna
W przypadku modułów fotowoltaicznych, w zależności od rodzaju zastosowanego materiału półprzewodnikowego, energia promieniowania słonecznego będzie przetwarzana na energię elektryczną w różnym zakresie widmowym. Dla krzemu (Si) wartością graniczną jest fala elektromagnetyczna o długości 1100 nm (energią 1,1eV), która odpowiada za uwolnienie elektronu z ostatniej powłoki krzemu. Oczywiście fala elektromagnetyczna o długościach krótszych również pracuje przy krzemie jako, że niesie ze sobą wyższą energię promieniowania od energii uwolnienia elektronu z ostatniej powłoki atomu Krzemu (Si) – promieniowanie słoneczne pracuje w szerokim zakresie długości fali od 200 – 1100 nm i obejmuje ultrafiolet, promieniowanie widzialne oraz część zakresu podczerwieni.

Jednym z ważniejszych czynników wpływających na osłabienie natężenia promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni ziemi jest atmosfera ziemska na którą składają się gazy, pyły oraz para wodna.

Największa energia promieniowania słonecznego dociera prostopadle do powierzchni ziemi, czyli w rejonie równika, gdzie występuje najkrótsza droga promieniowania słonecznego przebiegająca przez atmosferę ziemską.
Kąt nachylenia promieniowania słonecznego do powierzchni ziemi zmienia się również wraz z porą rokuzimą dla dowolnej lokalizacji zlokalizowanej na terenie Polski słońce znajduje się dużo niżej na horyzoncie i tym samym max. natężenie promieniowania słonecznego jakie dociera do Ziemi wynosi max. 500 W/m2, natomiast w okresie letnim promieniowanie słoneczne może nieść ze sobą energię wyższą niż 1000 W/m2 (słońce wtedy jest najwyżej i najdłużej na horyzoncie).

Słońce jest niewyczerpalnym źródłem energii, która dociera do ziemi i którą warto zagospodarować również na potrzeby pojedynczych gospodarstw domowych. Jest to energia która na początku wymaga dokonania inwestycji i później korzystamy z niej przez okres kilkudziesięciu lat (ponosząc tylko niewielkie koszty związane z utrzymaniem instalacji – zarówno fotowoltaicznej jak i grzewczej).

Energia słoneczna

Krzem w fotowoltaice

Krzem jest pierwiastkiem, którego udział w skorupie ziemskiej stanowi ok. 26%. Jest to główny czynnik decydujący o tym, że ponad 90 % wszystkich produkowanych modułów fotowoltaicznych na świecie wykonana jest z jego udziałem (amorficzne, polikrystaliczne oraz monokrystaliczne). Innym czynnikiem decydującym o tak dużym rozpowszechnieniu krzemu w produkcji modułów fotowoltaicznych jest dojrzałość technologii produkcji, która dzięki efektowi skali pozwala na obniżenie kosztów produkcji.

Krzem w fotowoltaice

Krzem jest pierwiastkiem o liczbie atomowej 14 i posiada własności półprzewodnikowe. W przypadku fotowoltaiki krzem domieszkowany jest Borem (B) oraz Fosforem (P) w celu poprawy własności półprzewodnikowych. Płytka krzemowa w fotowoltaice stanowi odpowiednik diody półprzewodnikowej stosowanej w elektronice (właściwości fotodiody, dla której wzrost prądu następuje wraz ze wzrostem natężenia światła padającego na płytkę krzemową).

Krzem wykorzystywany jest zarówno w produkcji elektroniki (stosuje się krzem o czystości min. 9N), jak również w fotowoltaice (czystość 6 – 8 N). Czystość krzemu ma zasadniczy wpływ na osiągane moce modułów fotowoltaicznych, a dodatkowo w dużej mierze determinuje żywotność modułów fotowoltaicznych.

Podczas produkcji bloków krzemowych mono i polikrystalicznych wykorzystuje się procesy metalurgiczne, które są najbardziej energochłonnymi w całym procesie technologicznym produkcji modułów fotowoltaicznych.

Krzem w fotowoltaice

W czasie całego procesu produkcji modułów fotowoltaicznych musimy dostarczyć energię, która odpowiada ok. 20 % energii możliwej do uzyskania podczas późniejszej pracy instalacji fotowoltaicznej.Jest to możliwe dzięki ciągłemu postępowi technologicznemu, który sprawia, że aktualnie powszechnie stosowane grubości płytek krzemowych wynoszą 0,18 – 0,2 mm – płytki krystaliczne. Warstwy amorficzne posiadają jeszcze mniejszą grubość (1 – 5 mikrometrów) i tym samym koszt energii i krzemu niezbędny do ich wytworzenia jest dużo niższy niż w technologii krystalicznej.

Wartym podkreślenia jest fakt, że przy produkcji ingotów monokrystalicznych najczęściej wykorzystuje się technologię opracowaną na początku 20 wieku przez polskiego uczonego Jana Czochralskiego. Polega ona na stopieniu krzemu w pojemniku, z którego następnie wyciągany jest monokryształ Si w postaci okrągłego walca. Przy produkcji polikryształów Si również pierwszym etapem jest stopienie krzemu, który następnie krzepnie z kontrolowaną szybkością tworząc bloki krzemowe polikrystaliczne (zwane ingotami).

Z tak powstałych ingotów poprzez cięcie najczęściej drutem powstają cienkie płytki krzemowe zwane waflami (ang. Wafer). Następnie następuje domieszkowanie górnej i dolnej warstwy wafera odpowiednio borem i fosforem oraz nanoszenie na górnej warstwie ścieżek przewodzących prąd elektryczny (stop srebra).

Krzem krystaliczny ma kolor stalowy, jednakże płytki krzemowe stosowane w fotowoltaice posiadają barwę niebieska, którą uzyskuje się w wyniku azotowania (azotowanie podnosi skuteczność pochłaniania promieniowania słonecznego i tym samym wydajność płytki krzemowej).

Drugim bardzo ważnym pierwiastkiem wykorzystywanym podczas produkcji płytek krzemowych jest srebro, które występuje w stopach cynowo-ołowiowych w formie ścieżek przewodzących prąd elektryczny (wytworzony w płytce krzemowej).
Pojedyncza płytka krzemowa jest w stanie wygenerować prąd elektryczny rzędu 8 [A] – oczywiście przy odpowiednich warunkach nasłonecznienia.

Podstawową zasadą fizyki wykorzystywaną w fotowoltaice jest zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne – bazujące na teorii kwantów opracowanej przez Alberta Einsteina.

Krzem w fotowoltaice

Uziemienie instalacji fotowoltaicznej

Instalacja fotowoltaiczna na budynku nie zwiększa ryzyka wystąpienia wyładowania atmosferycznego, jednakże w przypadku zaistnienia takiej sytuacji brak odpowiednich zabezpieczeń może spowodować bardzo wysokie szkody (zarówno w samej instalacji fotowoltaicznej, budynku jak i w urządzeniach korzystających z prądu generowanego przez nią).

Fotowoltaiczne instalacje uziemiające składają się z dwóch podstawowych elementów:
uziemienie zewnętrzne – wykonane z masztów uziemiających oraz przewodów uziemiających umieszczonych na obrzeżach dachu i mających za zadanie „wyłapanie” przepięcia związanego z wyładowaniem atmosferycznym i odprowadzenie całej energii wyładowania do ziemi.
uziemienie wewnętrzne – na które składają się przewody wyrównujące potencjał instalacji fotowoltaicznej oraz instalacji elektroenergetycznej budynku którego zadaniem jest zapobiegnięcie występowaniu przepięć. Ramy aluminiowe modułów fotowoltaicznych powinny zostać ze sobą podłączone przewodami uziemiającymi jeśli tylko konstrukcja wsporcza modułów nie gwarantuje wyrównania potencjałów między nimi (każda rama fotowoltaicznego posiada specjalnie wykonane otwory uziemiające służące do tego celu).

Uziemienie instalacji fotowoltaicznej

W przypadku budynku nie posiadającego zewnętrznej instalacji uziemiającej niezbędne jest wykonanie uziemienia wewnętrznego – instalacji wyrównawczej potencjałów (konstrukcji modułów), która powinna być wykonana z przewodu miedzianego o przekroju min. 6 mm2 (całość instalacji uziemienia wewnętrznego najlepiej jest prowadzić na zewnątrz budynku lub w przypadku montażu wewnątrz budynku w odpowiednich kanałach).

Instalacja fotowoltaiczna montowana na budynkach posiadających uziemienie zewnętrzne powinna być wykonana w odpowiedniej odległości od niego (ok. 0,5 m, przy czym każdy przypadek powinien zostać niezależnie przeliczony). W takiej sytuacji instalacja fotowoltaiczna nie jest podłączona do uziemienia zewnętrznego i prąd związany z wyładowaniem będzie przejęty przez to uziemienie. W tym przypadku również niezbędne jest wykonanie uziemienia wewnętrznego – instalacji wyrównującej potencjał przewodem miedzianym o przekroju 6 mm2.

Uziemienie instalacji fotowoltaicznej

Jeżeli z powodów lokalizacyjnych nie jesteśmy w stanie dotrzymać minimalnych odległości instalacji fotowoltaicznej od uziemienia zewnętrznego budynku, wtedy instalacja fotowoltaiczna (ramy modułów fotowoltaicznych) powinna zostać podłączona do uziemienia zewnętrznego przewodem min. 16 mm2. W takiej sytuacji również instalacja wyrównawcza potencjałów (uziemienie wewnętrzne) powinna być wykonana z przewodu miedzianego o przekroju 16 mm2.

Dodatkowym elementem zabezpieczającym elementy instalacji fotowoltaicznej oraz odbiorniki podłączone do niej jest zastosowanie zabezpieczeń nadnapięciowych (warystorowych) montowanych przed i za inwerterem. Są to oporniki posiadające silną zależność oporu od wielkości przyłożonego napięcia (po przekroczeniu określonej wartości napięcia mają za zadanie odebrać cały prąd, w naszym przypadku związany z wystąpieniem wyładowania i odprowadzić go do ziemi).

Brak uziemienia zewnętrznego instalacji fotowoltaicznej nie musi skutkować problemami z uzyskaniem jej ubezpieczenia (warto jednak sprawdzić w firmie ubezpieczeniowej konieczność posiadania takiego uziemienia) – może wpłynąć na wzrost wartości składki ubezpieczeniowej.

Uziemienie instalacji fotowoltaicznej może nas zabezpieczyć przed niekorzystnymi skutkami wyładowań atmosferycznych (koszty uszkodzenia instalacji fotowoltaicznej, odbiorników energii elektrycznej oraz ewentualnie pożar instalacji fotowoltaicznej i/lub budynku).

Uziemienie instalacji fotowoltaicznej