Archiwa tagu: fotowoltaika

Program Prosument

Program Prosument realizowany jest przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, który za pośrednictwem wspierania inwestycji w rozproszone, odnawialne źródła energii ma na celu ograniczenie lub uniknięcie emisji CO2 w wyniku zwiększenia produkcji energii z odnawialnych źródeł, poprzez zakup i montaż małych instalacji lub mikroinstalacji odnawialnych źródeł energii.
Z założenia programu Prosument wynika, że efektem ekologicznym ma być coroczne ograniczenie emisji CO2 w ilości 215 000 ton oraz roczna produkcja energii z odnawialnych źródeł na poziomie 470 000 MWh.

Program prosument

Program Prosument realizowany będzie w latach 2014 – 2022 i jego budżet wynosi 800 mln zł (występuje w nim możliwość umów pożyczek do 2020 roku).

W ramach programu Prosument możliwe jest uzyskanie pożyczki/kredytu preferencyjnej (oprocentowanie wynosi 1%) wraz z dotacją łącznie do 100% kosztów kwalifikowanych instalacji lub dotacji w wysokości 20% lub 40% dofinansowania (15% lub 30% po 2015 r.). Maksymalna wysokość kosztów kwalifikowanych mieści się w granicach 100 tys. zł – 450 tys. zł i uzależniona jest w zależności od rodzaju beneficjenta oraz przedsięwzięcia.

Program Prosument

Dofinansowanie przedsięwzięć w programie Prosument obejmie zakup i montaż nowych instalacji i mikroinstalacji odnawialnych źródeł energii do produkcji:
energii elektrycznej (systemy fotowoltaiczne, małe elektrownie wiatrowe, oraz układy mikrokogeneracyjne o zainstalowanej mocy elektrycznej do 40 kWe),
ciepła i energii elektrycznej (źródła ciepła opalane biomasą, pompy ciepła oraz kolektory słoneczne o zainstalowanej mocy cieplnej do 300 kWt,).

Beneficjentami programu Prosument mogą być osoby fizyczne, spółdzielnie mieszkaniowe, wspólnoty mieszkaniowe oraz jednostki samorządu terytorialnego (ewentualnie ich związki).

Program prosument

W programie Prosument przewidziane są trzy kanały dystrybucji środków:
– nabór wniosków dla jednostek samorządu terytorialnego był realizowany od 26.05.2014 do 31.12.2014 (kontynuacja naboru zostanie ogłoszona w 2015 r.),
– nabór wniosków dla WFOŚiGW był realizowany od 16.07.2014 do 31.12.2014 kontynuacja naboru zostanie ogłoszona w 2015 r.)
– nabór wniosków dla banków został ogłoszony 2.01.2015 (wnioski od banków będą przyjmowane do 30.01.2015 natomiast początek naboru wniosków dla beneficjentów nastąpi po ogłoszeniu naboru przez banki).

Program prosument

 

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).

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

Pomiary elektryczne instalacji fotowoltaicznej

Instalacja fotowoltaiczna najczęściej składa się z części prądu stałego i prądu zmiennego. Zakres wartości mierzonych wielkości elektrycznych zależny jest od wielkości i rodzaju instalacji fotowoltaicznej.

Pomiary elektryczne instalacji fotowoltaicznej

A. Część prądu stałego
napięcie elektryczne zwykle zawiera się w zakresie do 750 – 1000 V (wartości te są maksymalnymi dopuszczalnymi napięciami pracy zarówno większości inwerterów, jak i modułów fotowoltaicznych),
prąd elektryczny w małych instalacjach osiąga zwykle kilka do kilkunastu amper (do 100 kWp), natomiast w średnich i dużych instalacjach prądy mogą osiągać wartości nawet kilka tysięcy amper (w szczególności w przypadku instalacji z inwerterami centralnymi).
B. Część prądu zmiennego
napięcie elektryczne typowe 220/380 V (małe instalacje fotowoltaiczne), a w przypadku konieczności podłączenia do zewnętrznej sieci elektroenergetycznej średniego lub wysokiego napięcia wartości te odpowiadają napięciu sieci elektroenergetycznej (może to być na przykład 15, 20 lub 30 kV),
prąd elektryczny po stronie prądu zmiennego uzależniony jest to wielkości (mocy instalacji) oraz napięcia jej pracy. W przypadku większych instalacji zmuszeni jesteśmy do przejścia na średnie lub wysokie napięcia z uwagi na konieczność ograniczenia strat elektrycznych występujących podczas przesyłu energii elektrycznej w sieci energetycznej. Zwykle pądy w małych instalacjach nie przekraczają wartości kilkudziesięciu amper (przy średniej wielkości instalacji kilkuset amper).

Pomiary elektryczne instalacji fotowoltaicznej

Teoretycznie pomiary wielkości elektrycznych instalacji fotowoltaicznej możemy przeprowadzić przy pomocy mierników uniwersalnych, posiadających stosowne zakresy pracy. Problemy mogą się pojawić w przypadku pomiarów napięć powyżej 1000 V oraz prądów elektrycznych o wartościach powyżej 10A (konieczność stosowania przekładników prądowych lub napięciowych).

Ponadto elementem niezbędnym przy wykonywaniu pomiarów elektrycznych jest konieczność ustalenia rzeczywistego natężenia promieniowania słonecznego, które wprost przekłada się na osiągane chwilowe moce przez instalację fotowoltaiczną. Do tego celu niezbędne jest zastosowanie czujników promieniowania słonecznego lub pyranometrów, które pozwalają na pomiar natężenia promieniowania słonecznego [W/m2] i tym samym na oszacowanie chwilowej wartości energii elektrycznej jaką powinna generować instalacja fotowoltaiczna.

Pomiary elektryczne instalacji fotowoltaicznej

Dodatkowym czynnikiem wpływającym na wydajność instalacji fotowoltaicznej jest temperatura, dlatego chcąc prawidłowo ocenić wydajność musimy ją uwzględnić w naszych pomiarach wielkości elektrycznych.

Przykładowo jeśli natężenie promieniowania słonecznego wynosi 300 W/m2 przy temperaturze zewnętrznej 25 st. C, to wtedy przy sprawności modułu fotowoltaicznego na poziomie 15% i polu powierzchni czynnej modułu fotowoltaicznego wynoszącej 1,6 m2, powinniśmy uzyskać moc chwilową na poziomie 72 W (pomimo, że moduł w warunkach standardowych generuje 240 W).

Moc modułów fotowoltaicznych opisywana jest w jednostkach Wp (Watt peak, czyli moc osiąganą przez moduł fotowoltaiczny w testowych warunkach standardowych – STC).

Tym samym zmiana wartości natężenia promieniowania słonecznego oraz/i temperatury powierzchni modułu będą wpływały na zmianę wartości mocy chwilowej generowanej przez instalację fotowoltaiczną – moc rzeczywista.

Mając na uwadze konieczność uwzględnienia przy pomiarach elektrycznych instalacji fotowoltaicznych zarówno temperatury modułu, temperatury otoczenia, jak i wartości natężenia promieniowania słonecznego, dlatego do pomiarów elektrycznych instalacji fotowoltaicznych najczęściej wykorzystywane są specjalistyczne zestawy pomiarowe, które umożliwiają wykonywanie kompleksowych pomiarów instalacji (napięć prądów, natężenia promieniowania, temperatur).

Pomiary elektryczne instalacji fotowoltaicznej

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

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

Konstrukcja wsporcza instalacji fotowoltacznej

Konstrukcja wsporcza do której przymocowane są moduły fotowoltaiczne powinna być obliczona na okres pracy conajmniej 20 lat, czyli porównywalnie do okresu pracy instalacji fotowoltaicznej.

Konstrukcja wsporcza instalacji fotowoltacznej

Dlatego konstrukcję wsporczą wykonuję się najczęściej z dwóch rodzajów materiałów : stal nierdzewna lub aluminium. Często te dwa materiały stosowane są zamiennie lub część konstrukcji wykonana jest z aluminium, a część ze stali nierdzewnej.

Rodzaj konstrukcji uzależniony jest od następujących czynników:
warunki atmosferyczne (w przypadku wystąpienia zwiększonego ryzyka wystąpienia opadów śniegu, musi być zwiększona liczba haków mocujących),
miejsce zabudowy (dach płaski, dach skośny, teren otwarty, fasada),
wymagania budowlane (związane z wytrzymałością budynku lub miejsca posadowienia konstrukcji).

Jednym z istotniejszych elementów który należy wziąć pod uwagę przy planowaniu konstrukcji wsporczej pod instalację fotowoltaiczną jest jej obciążalność na wiatr. Dotyczy ona wszystkich rodzajów konstrukcji wsporczej (szkody związane z działaniem niekorzystnych czynników atmosferycznych, w tym związanych z działaniem wiatru, należą do jednych z najczęściej występujących w praktyce). Przy planowaniu instalacji dachowej najczęściej wykonuje się je w odległości ok. 0,3 – 0,5 m od krawędzi dachu z uwagi na występowanie na krawędzi dachu największych obciążeń mechanicznych związanych z wiatrem.

Konstrukcja wsporcza instalacji fotowoltacznej

Następnym elementem który warto wziąć pod uwagę przy montażu modułów do konstrukcji wsporczej są wymagania producenta modułów w zakresie montażu, a w szczególności siły dokręcania uchwytów montażowych (zbyt mocne i nierównomierne dokręcenie uchwytów z czasem może wywołać powstanie wad wewnętrznych modułów, które w późniejszym czasie będą wpływały na spadek wydajności instalacji fotowoltaicznej).

Równie istotnym elementem jest sposób montowania konstrukcji wsporczej do powierzchni dachu. W szczególności warto zwrócić uwagę na montaż instalacji fotowoltaicznej na dachach płaskich, kiedy to z uwagi na stosowanie kotew istnieje podwyższone ryzyko uszkodzenia powierzchni dachu (utrata jego szczelności). W przypadku dachów płaskich można uniknąć kotwienia konstrukcji wsporczej do dachu przez zastosowanie obciążników (bloków betonowych, żużlu, gresu lub obciążników wykonanych z tworzyw sztucznych) – wymagana jest podwyższona obciążalność dachu (śnieg, konstrukcja wsporcza oraz obciążniki). Przeprowadzenie obliczeń statycznych obciążalności dachów płaskich jest praktycznie niezbędne dla zapewnienia bezpieczeństwa użytkowania takiej instalacji fotowoltaicznej.

Przy wyborze konstrukcji wsporczej warto zwrócić uwagę na sposób jej mocowania do modułów fotowoltaicznych (nie każda konstrukcja wsporcza pasuje do każdego modułu fotowoltaicznego, dlatego aby uniknąć konieczności wykonania poprawek konstrukcji warto mieć ten element na uwadze).

Kolejnym punktem na który należy zwrócić uwagę przy planowaniu instalacji fotowoltaicznej jest wpływ wzrostu temperatury instalacji na warunki jej pracy, w szczególności:
wzajemne rozmieszczenie modułów umożliwiające kompensację zmian długości ram wraz ze wzrostem lub spadkiem temperatury,
właściwe chłodzenie modułów fotowoltaicznych (element bardzo istotny szczególnie w słoneczne i gorące dni),
właściwa izolacja termiczna powierzchni montażu (w przypadku integracji instalacji fotowoltaicznej z budynkiem).

Równie istotnym i ważnym elementem jest kąt nachylenia instalacji fotowoltaicznej, który ma istotne znaczenie zimą kiedy chcielibyśmy uzyskać efekt samooczyszczenia instalacji (min. kat nachylenia konstrukcji fotoltaicznej wynosi 20 stopni). Z drugiej strony kąt nachylenia instalacji fotowoltaicznej wpływa również na uzyskiwane wydajności instalacji fotowoltaicznej.

Prawidłowy montaż instalacji fotowoltaicznej jest podstawowym warunkiem jej bezawaryjnej i długoletniej pracy. Można zaryzykować stwierdzenie, że co najmniej 50 % sukcesu to prawidłowy montaż instalacji fotowoltaicznej i dlatego warto i należy zwrócić uwagę na to, kto te prace dla nas wykonuje (referencje, certyfikaty).

Konstrukcja wsporcza instalacji fotowoltacznej

Elektrownia hybrydowa

Fotowoltaika oraz energetyka wiatrowa samodzielnie nie są w stanie pokryć zapotrzebowania dziennego zarówno kraju, jak również województw czy regionów, dlatego dobrym rozwiązaniem tego problemu może być budowa elektrowni hybrydowych.

Fotowoltaika najwięcej energii generuje od wczesnej wiosny do późnej jesieni (najwięcej energii w ciągu dnia generowane jest w południe). Z kolei energetyka wiatrowa największe uzyski ma od jesieni do wczesnej wiosny. Przy okazji obydwie technologie mogą być wykonane na tym samym terenie, mogą korzystać z tych samych transformatorów oraz przyłączy energetycznych (powstają w bliskiej odległości od siebie).

Elektrownia hybrydowa

W celu zapewnienia ciągłości tak powstałej elektrowni hybrydowej (fotowoltaiki oraz energetyki wiatrowej), możliwe jest uzupełnienie tych dwóch technologii o następujące źródła energii:
elektrownia biogazowa,
elektrownia gazowa (zasilana gazem ziemnym lub metanem),
elektrownia opalana biomasą,
elektrownia wodna (szczytowo-pompowa).

Jedną z wielu dodatkowych możliwości zwiększenia bezpieczeństwa zasilania może być również wykorzystanie magazynowania energii elektrycznej w różnej formie (magazynujemy energię wytworzoną w okresach dużego jej występowania po to, aby następnie ją zużyć wtedy gdy ją potrzebujemy i jednocześnie nie możemy jej uzyskać z wiatru lub ze słońca).

Elektrownia hybrydowa

W ten sposób powstała elektrownia hybrydowa jest w stanie zapewnić całoroczne zapotrzebowanie na energie elektryczną całego regionu lub miasta, który dodatkowo jest w stanie stworzyć nowe miejsca pracy, zapewnić bezpieczeństwo energetyczne oraz uzyskać oszczędności lub dodatkowe przychody do budżetu lokalnego.

Wytwarzanie energii elektrycznej w miejscu jej zużycia jest o tyle istotne, że każda transformacja oraz przesył energii elektrycznej na dłuższe dystanse wiążą się z powstawaniem strat oraz ze spadkami napięć, które w ten sposób możemy wyeliminować.

Elektrownie hybrydowe w przyszłości mogą uniezależnić od cen energii elektrycznej, której cena będzie kształtowana w zależności od odległości odbiorcy do źródła jej wytwarzania – w ten sposób możemy uzyskać niezależność, bezpieczeństwo zasilania oraz dodatkowo również spadek cen energii elektrycznej.

Elektrownia hybrydowa