envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Wąski Jar 9
02-786 Warszawa

Advertisement











fot33Jak wspominałem w poprzednim artykule, instalacje fotowoltaiczne mogą funkcjonować jako układy samodzielne (ang. off-grid), bądź jako układy przyłączone do sieci elektrycznej (ang. on-grid). Te drugie są znacznie częściej spotykane, prześledźmy więc proces doboru małej instalacji fotowoltaicznej typu on-grid.

Przypomnę, że instalacje fotowoltaiczne off-grid, instalowane jako układy samodzielne, są wykorzystywane tylko do pokrywania bieżącego zapotrzebowania na energię elektryczną obiektu. Ponieważ nie są podłączone do sieci elektrycznej, nie mogą do niej oddawać nadwyżek energii elektrycznej. Nadmiar energii może być jednak magazynowany w akumulatorach – przykładowo na potrzeby nocnego zasilania odbiorników mniejszej mocy, w tym oświetlenia, urządzeń AGD czy alarmu. Najsłabszym ogniwem instalacji off-grid są właśnie akumulatory, ponieważ mają one niezbyt dużą pojemność, stosunkowo krótką trwałość, a ponadto nie pozwalają na dłuższe przechowywanie zgromadzonej energii elektrycznej.

Zanik zasilania a instalacja on-grid

Ograniczenia technologiczne w zakresie przechowywania energii to jeden z zasadniczych powodów tego, że dużo bardziej popularne są instalacje fotowoltaiczne on-grid, przyłączone do sieci elektrycznej. W takiej konfiguracji nadwyżki energii elektrycznej niewykorzystane na potrzeby obiektu są oddawane do sieci. Warto jednak zaznaczyć, że instalacja fotowoltaiczna typu on-grid ma pewne ograniczenia w stosunku do instalacji off-grid – nie stanowi ona zabezpieczenia przed brakiem energii elektrycznej z sieci. Ze względów bezpieczeństwa inwerter instalacji sieciowej w momencie zaniku zasilania z sieci odłącza instalację fotowoltaiczną. Nie można bowiem dopuścić do pojawienia się napięcia w sieci elektrycznej z instalacji fotowoltaicznej w momencie, gdy np. pracownik zakładu energetycznego wyłączył zasilanie w celu dokonania naprawy instalacji.
Jeżeli użytkownik chciałby odsprzedawać nadwyżki energii do sieci elektrycznej i jednocześnie zabezpieczyć się na wypadek zaniku zasilania z sieci, możliwe jest wykonanie instalacji jako wyspowej – z przełączaniem na sieć elektryczną. Instalacja taka, oprócz inwertera, musi zawierać specjalne urządzenie, które w momencie zaniku zasilania z sieci odłączysieć od instalacji wewnętrznej obiektu. Tym samym w czasie awarii użytkownik będzie zasilał urządzenia znajdujące się w budynku z instalacji fotowoltaicznej i/lub akumulatorów, a ze względu na odseparowanie instalacji wewnętrznej od sieciowej nie będzie wówczas następowało przekazywanie energii elektrycznej z instalacji fotowoltaicznej do zewnętrznej sieci elektrycznej. Wykonanie takiej instalacji jest jednak znacząco droższe, głównie ze względu na spory koszt akumulatorów.

Określenie mocy instalacji

Dobierając instalację fotowoltaiczną typu on-grid, na początku należy zdecydować, jakiej powinna być ona wielkości. Minimalna zalecana powierzchnia instalacji fotowoltaicznej powinna zapewniać co najmniej 1,5 kWp (kiloWatt peak) mocy elektrycznej. Ilu to odpowiada metrom kwadratowym paneli lub ilu sztukom paneli fotowoltaicznych? – To zależy od parametrów modułów.

fot31 fot32 fot33
1. Odstępy montażowe między panelami fotowoltaicznymi 2. Panele fotowoltaiczne mogą być w układzie pionowym lub poziomym 3. Wysoko wydajny inwerter z wyświetlaczem

 

Określanie powierzchni i liczby płyt
Jeśli zamierzamy wykorzystać panele o mocy katalogowej 250 Wp (wg STC – patrz „Budowa instalacji fotowoltaicznej i parametry ogniw” z poprzedniej części cyklu), które mają powierzchnię brutto około 1,5 m2, to musimy zamontować 6 takich paneli:

1500 Wp/250 Wp = 6

Łączna powierzchnia paneli wyniesie zatem około 9 m2. Jednak optymalna wielkość mocy instalacji to około 3 kWp, czyli dwa razy więcej niż przywołane minimum. Trzykilowatowa instalacja fotowoltaiczna musiałaby więc składać się z 12 płyt fotowoltaicznych o łącznej powierzchni około 18 m2.

Szacując wielkość instalacji służącej pokrywaniu głównie własnych potrzeb energetycznych budynku, można posłużyć się wskaźnikiem rocznego uzysku energii elektrycznej z 1 kWp instalacji. Wynosi on 800-1000 kWh rocznie. Jeżeli więc roczne zużycie energii elektrycznej z gospodarstwa domowego oscyluje w granicach 2000-2500 kWh, zalecana moc takiej instalacji fotowoltaicznej to 2,5-3 kWp.

Moc a możliwa powierzchnia

W przypadku instalacji podłączonych do sieci można oczywiście dobrać dowolnie większą instalację niż 2,5-3 kWp i odsprzedawać nadwyżki energii do sieci elektrycznej. Ograniczeniem wielkości instalacji bywa jednak miejsce, które można przeznaczyć na montaż paneli.

Płyty w układzie pionowym czy poziomym Załóżmy na potrzeby przykładu obliczeniowego, że chcemy zamontować panele fotowoltaiczne na dostępnej połaci dachowej o wymiarach 16 m x 5,3 m, czyli o powierzchni 84,8 m2 (16 x 5,3). Załóżmy również, że montujemy panele fotowoltaiczne o wymiarach płyty 1,64 m x 0,92 m, czyli o powierzchni 1,51 m2. Błędem byłoby jednak szybkie podzielenie dostępnej powierzchni dachu przez powierzchnię jednej płyty i stwierdzenie, że można zamontować 56 płyt fotowoltaicznych:

84,8 m2/1,51 m2 = 56,15

Moduły fotowoltaiczne, podobnie jak kolektory słoneczne, nie będą przecież idealnie do siebie przylegać. Zależnie od wybranego systemu montażowego odstępy między płytami mogą wynosić od 1 do 2 cm (rys. 2). Załóżmy więc, że dodajemy po 1 cm odstępu z każdej strony modułu (między modułami przyjmujemy więc 2 cm odstępu). Powierzchnia pojedynczego modułu PV z dodatkiem na montaż wyniesie wtedy:

1,66 m x 0,94 m = 1,56 m2

Przy takiej powierzchni modułów teoretycznie na dachu zmieścimy 54 moduły PV:

84,8 m2/1,56 m2 = 54,3

Czy takie obliczenia są na pewno prawidłowe? Odpowiedź brzmi: nie. W praktyce wymiary dachu rzadko pozwalają szczelnie wypełnić go panelami. Proste podzielenie powierzchni dachu przez powierzchnię panelu nie uwzględnia w rachunkach długości boków panelu. Aby prawidłowo określić maksymalną liczbę płyt na dachu, trzeba podzielić długość dachu przez np. długość panelu i szerokość dachu przez szerokość panelu fotowoltaicznego. Obliczenia szczegółowe przy założeniu poziomego układu płyt będą wyglądały następująco:

  • liczba rzędów w poziomie:
    16 m/1,66 m = 9,63 => 9;
  • liczba rzędów w pionie:
    5,3 m/0,94 m = 5,63 => 5.

Natomiast przy pionowym ułożeniu płyt paneli fotowoltaicznych:

  • liczba rzędów w poziomie:
    16 m/0,94 m = 17,02 => 17;
  • liczba rzędów w pionie:
    5,3 m/1,66 m = 3,19 => 3.

Ostatecznie na dachu zmieści się więc 45 modułów w układzie poziomym (9 x 5) lub 51 modułów w układzie pionowym (17 x 3).

Dobór mocy inwertera

Przyjmijmy, że chcemy wykorzystać całą przestrzeń połaci dachowej, ale ze względu na zacienienie wybieramy układ pionowy płyt, czyli na dachu maksymalnie zmieścimy 45 płyt fotowoltaicznych, układając po 9 płyt w 5 rzędach. Kolejnym krokiem jest dobór do tej instalacji odpowiedniego inwertera.

Potrzebny przedział mocy inwertera
Instalacja fotowoltaiczna składająca się z 45 płyt generuje maksymalnie 11,25 kWp (45 x 250 Wp – moc przyjętego na potrzeby naszych obliczeń panelu fotowoltaicznego). Na taką więc moc maksymalną musimy dobrać inwerter. Przyjmujemy, że nasza instalacja będzie pracować z jednym inwerterem, czyli wszystkie panele instalacji będą tworzyć jeden generator fotowoltaiczny. Ponieważ moc generatora PV powinna stanowić 0,92-1,18 mocy inwertera, można wyliczyć, że dla założonej mocy generatora PV moc inwertera musi się mieścić w przedziale:

  • minimalna moc inwertera: moc generatora
    PV x 0,92 = 11,25 kWp x 0,92 = 10,35 kW;
  • maksymalna moc inwertera: moc generatora
    PV x 1,18 = 11,25 kWp x 1,18 = 13,27 kW.

W rzeczywistych warunkach roboczych moc instalacji będzie oczywiście niższa niż maksymalna moc w Wp. A ponieważ inwerter najwydajniej pracuje przy pełnym obciążeniu, najlepiej tak go dobrać, aby jego moc maksymalna była niższa niż moc generatora. Za optymalne uznaje się takie instalacje, w których moc generatora PV jest większa o około 5% od mocy inwertera. Trzymając się tej zasady, można zawęzić zakres mocy inwertera:

  • zalecana moc inwertera: moc generatora
    PV x 0,95 = 11,25 kWp x 0,95 = 10,69 kW.

Zakres mocy inwertera optymalny dla naszej instalacji wynosi zatem od 10,35 kW do 10,70 kW. Nie należy dobierać inwertera o mniejszej mocy niż 10,35 kW.

Tab. 1. Dane techniczne trzech przykładowych inwerterów [1]
fot34
Tab. 2. Dane techniczne trzech przykładowych modułów fotowoltaicznych jednego typu, różniących się oddawaną mocą elektryczną [2]
fot35

 

Układ i podłączenie paneli do inwertera

Wybierając inwerter, podejmujemy również decyzję, czy potrzebujemy urządzenia jednofazowego, czy trójfazowego. Inwertery, oprócz parametru określającego maksymalną moc wejściową, charakteryzują się także:

  • maksymalnym (dopuszczalnym) napięciem wejściowym, np. 700 V;
  • maksymalnym natężeniem prądu, np. 34 A;
  • zakresem roboczym napięcia, tzw. zakresem pracy MPP, np. 333-500 V, przy czym minimalna wartość określa, przy jakim napięciu wejściowym z generatora PV inwerter rozpoczyna pracę.

Z poprzednich odcinków naszego cyklu wiemy, że wraz ze zmianą temperatury modułu fotowoltaicznego zmienia się generowane napięcie i natężenie prądu. Ponieważ każdy inwerter ma ograniczenia co do zakresu roboczego natężenia i napięcia, konieczne jest przeliczenie, jakie są możliwe graniczne napięcia oraz natężenia pracy modułu PV, aby ustalić sposób podłączenia paneli do inwertera.

Obliczanie zmian napięcia i natężenia przy zmianie temperatury
Wyznaczamy zmianę napięcia modułu PV na 1°C według danych technicznych przykładowego modułu fotowoltaicznego (tabela 2), przy założeniu, że:

  • Tc(UOC), czyli wartość temperaturowego współczynnika napięcia obwodu otwartego UOC (ang. Temperature Coefficient of UOC) wynosi 0,30%/°C;
  • UOC, czyli napięcie obwodu otwartego (ang. Open Circuit Voltage) wynosi 37,4 V.

Zmiana napięcia na 1°C – DV [V/°C]:

DU = Tc (UOC) x UOC

DU = 0,003 x 37,4 = 0,1122 V/°C.

Następnie wyznaczamy zmianę natężenia prądu modułu PV na 1°C według wskazanych danych technicznych, przy założeniu, że:

  • Tc (ISC), czyli wartość temperaturowego wskaźnika prądu zwarcia Isc (ang. Temperature Coefficient of Isc) wynosi 0,04 %/°C;
  • ISC, czyli prąd zwarcia (ang. short circuit current) wynosi 8,83 A.

Zmiana natężenia prądu na 1°C – DI [A/°C]:

DI = Tc (ISC) x ISC

DI = 0,0004 x 8,83 = 0,003532 A/°C.

Obliczanie napięcia na zaciskach i maksymalnego natężenia prądu
Znając zmiany napięcia i natężenia przy zmianie temperatury, możemy określić, jakie są spodziewane maksymalne lub minimalne wartości napięcia na zaciskach panelu fotowoltaicznego oraz jakie jest maksymalne natężenie prądu. Przypomnę, że parametry elektryczne panelu fotowoltaicznego podawane są dla dwóch warunków pomiarowych. Warunków STC i NOCT (tabela 2). W rzeczywistej instalacji moduł fotowoltaiczny pracuje w temperaturach zależnych od pory roku i pory dnia. W warunkach polskich trzeba przyjąć że panel będzie musiał pracować w temperaturze z zakresu od -25°C do +70°C. Stąd też na podstawie parametrów panelu PV podanych dla warunków STC trzeba wyznaczyć:

  • napięcie jałowe Uoc dla temperatury -25°C,
  • napięcia pracy w skrajnych warunkach pracy modułu, czyli Umpp dla temperatury +70°C,
  • natężenie prądu zwarciowego Isc w temperaturze +70°C:

Uoc-25 = Uoc + [DU x |TSTC – T-25|]
Uoc-25 = 37,4 V + [0,1122 x |25°C+25°C|] = 37,4 V+ 5,61 V = 43,01 V.
I odpowiednio:
Umpp+70 = Umpp – [DU x |TSTC –T+70|] = 25,051 V
Isc+70 = Isc + [DI x |TSTC –T+70|] = 8,99 A.

Konfiguracja podłączanych paneli
Znając zakres elektryczny pracy panelu PV, możemy określić, w jakiej konfiguracji, tzn. ile paneli w szeregu lub równolegle można podłączyć do inwertera. Inwertery o parametrach przedstawionych w tabeli 1 pracują w zakresie napięcia od 333 V do maksymalnie 700 V, zatem maksymalna liczba modułów podłączonych szeregowo jako jeden string, wynosi 16. Pamiętajmy, że wyliczoną wartość zawsze zaokrąglamy w dół:

Nmax = Umax/Uoc-25

Nmax = 700 V/43,01 V = 16,27.

Natomiast minimalna liczba modułów, które możemy podłączyć szeregowo do inwertera jako jeden string, wynosi 14. W tym przypadku wyliczoną wartość zawsze zaokrąglamy w górę:

Nmin = Umppt min/Umpp+70

Nmin = 333 V/25,051 V = 13,29.

Według danych z tabeli 1 maksymalne natężenie prądu, jaki można podłączyć do inwertera np. o mocy 10,35 kW, wynosi 31 A. Stąd maksymalna liczba modułów łączonych równolegle, które możemy do niego podłączyć wyniesie 3. W tym przypadku wyliczoną wartość zawsze zaokrąglamy w dół:

Rmax = Imax/Isc+70

Rmax = 31 A/8,99 A = 3,44.

Podsumowując obliczenia: jeśli wybierzemy inwerter o mocy maksymalnej 10,35 kW, to nasza instalacja fotowoltaiczna może się składać z zestawu od 14 do 16 paneli połączonych szeregowo w trzech równolegle połączonych szeregach. Na analizowanym dachu przyjęliśmy,że chcemy zamontować 45 paneli, optymalne będzie więc połączenie tych paneli w układzie po 15 płyt w szeregu w 3 rzędach.
W kolejnej części cyklu o małych instalacjach fotowoltaicznych przedstawię, jak dobrać przewody łączące instalację fotowoltaiczną na dachu z inwerterem oraz inwerter z siecią elektryczną, a także niezbędne zabezpieczenia elektryczne instalacji.

Autor: Paweł Kowalski

Kolejna część już jutro!

Cykl warsztatów instalatora OZE to projekt edukacyjny przygotowywany we współpracy redakcji Polskiego Instalatora oraz Polskiej Korporacji Techniki Sanitarnej, Grzewczej, Gazowej i Klimatyzacji – z dużymi firmami z branży OZE, mającymi bogate doświadczenie projektowe, produkcyjne, montażowe i serwisowe. Kierujemy go do potencjalnych projektantów i wykonawców takich instalacji, a być może także docelowych użytkowników. Kontynuujemy cykl o małych instalacjach fotowoltaicznych z firmą Viessmann. Dotychczas w ramach cyklu ukazały się artykuły: „Energia słoneczna” oraz „Rodzaje i parametry techniczne modułów”.


 

pi