Ogniwa fotowoltaiczne. Stringi na dachu

Kolektory słoneczne pozyskują energię cieplną z promieniowania słonecznego, natomiast ogniwa fotowoltaiczne docierającą do ich powierzchni energię promieniowania słonecznego przekształcają w energię elektryczną. Obecnie na rynku spotykamy kilka odmian ogniw fotowoltaicznych.

Najdłużej dostępne na rynku są ogniwa tzw. pierwszej generacji, które wykonane są z krzemu. Obecnie najpopularniejsze są ogniwa tzw. drugiej generacji bazujące na technologii cienkowarstwowej. Największą sprawnością (powyżej 15%) mogą pochwalić się ogniwa I generacji, monokrystaliczne, zbudowane z pojedynczych ogniw, które tworzone są z jednorodnego kryształu krzemu o uporządkowanej budowie wewnętrznej. Podstawą do tworzenia ogniw są odpowiedniej wielkości bloki krzemu. Są one cięte na warstwy, których grubość wynosi około 0,3 mm. Panele polikrystaliczne zbudowane są z ogniw składających się z wielu małych kryształów krzemu tworzących niejednolitą powierzchnię, wyglądem przypominającą szron na szybie. Moduły polikrystaliczne są mniej wydajne niż monokrystaliczne, jednak ich proces produkcji jest mniej złożony, a zatem tańszy. Panele te są najbardziej rozpowszechnione w zastosowaniach domowych i w dużych instalacjach. Ogniwa amorficzne mają zupełnie inną strukturę krzemu. Grubość warstwy krzemu wynosi jedynie 2 mikrony i warstwa ta osadzona jest na powierzchni innego materiału, np. szkła. Moduły amorficzne występują zwykle w zegarkach lub kalkulatorach i innych przenośnych urządzeniach. Sprawność modułów dochodzi do 8,5%. Alternatywę stanowią moduły cienkowarstwowe z ogniwami z selenku indowo-miedziowego CIS (CIGS) lub tellurku kadmu CdTe. Charakterystyczna ciemna i jednolita powierzchnia, bardziej jednorodna niż w przypadku materiałów krystalicznych, a także duże możliwości tworzenia różnorodnych kształtów i wymiarów sprawiają, że moduły te mogą być wykorzystane w nowoczesnych budowlach architektonicznych. Sprawności tych ogniw wynoszą od 12 do 14%. Słońce oddalone od Ziemi ok. 150 mln km emituje energię we wszystkich kierunkach. Część tej energii dociera do Ziemi w ilości ok. 1366 W/m2. Jest to wartość tzw. stałej słonecznej, która ulega wahaniom w cyklu ok. 11-letnim, ale nie jest to istotne przy pozyskiwaniu energii przez panele fotowoltaiczne. Po przejściu przez atmosferę do powierzchni panelu dociera ok. 1000 W/m2. Jeśli warunki atmosferyczne są niesprzyjające, energii tej będzie odpowiednio mniej. Wiedząc, że sprawność paneli fotowoltaicznych oscyluje w pobliżu 15%, łatwo policzyć, że z 1 m2 ogniwa możemy uzyskiwać ok. 150 W energii elektrycznej. Szybki postęp technologiczny w fotowoltaice zmierza w kierunku stałego zwiększania sprawności ogniw, a więc najnowsze ogniwa będą osiągać jeszcze większe wydajności energii elektrycznej z 1 m2 powierzchni.

Mała instalacja fotowoltaiczna może składać się z kilku lub kilkunastu paneli fotowoltaicznych (duże instalacje mogą liczyć nawet kilkaset paneli), które są łączone ze sobą szeregowo i/lub równolegle. Połączenia równoległe zwykle stosuje się w instalacjach, w których ilość paneli przekracza maksymalną możliwą ilość paneli połączonych szeregowo (parametr wynikający z zakresu roboczego zastosowanego inwertera). Panele fotowoltaiczne łączone szeregowo tworzą pola nazywane z języka angielskiego stringami (ang. string). Jeden string stanowią panele fotowoltaiczne połączone ze sobą szeregowo, a następnie przyłączone do inwertera, który w zależności o modelu obsługuje jeden string lub więcej. O maksymalnej i minimalnej ilości paneli wchodzących w skład stringu decydują parametry elektryczne panelu fotowoltaicznego oraz możliwości inwertera (głownie zakres napięć pojawiających się na zaciskach inwertera, na których inwerter może pracować).

Pojedynczy panel fotowoltaiczny zbudowany jest z ogniw fotowoltaicznych nazywanych również z języka angielskiego celami (ang. cell). Pojedyncza cela to najmniejszy element składowy panelu. Każda cela w panelu powinna charakteryzować się takimi samymi parametrami elektrycznymi, tzn. w danych warunkach każda cela powinna generować takie samo napięcie i natężenie prądu elektrycznego. Od właściwości i ilości cel w panelu zależy jego moc i napięcie, które jest dostępne na zaciskach przyłączeniowych panelu. Poszczególne cele w panelu łączone są ze sobą szeregowo. Obecnie większość paneli fotowoltaicznych posiada dodatkowo tzw. diody obejścia, które umożliwiają skuteczniejszą pracę panelu przy częściowym zacienieniu jego powierzchni. Zjawisko zacieniania opisane jest w dalszej części artykułu.

Parametry

Podstawowymi parametrami opisującymi ogniwo fotowoltaiczne są:

* Moc w punkcie mocy maksymalnej (Pmpp) – maksymalna moc, jaką panel może wygenerować w optymalnych dla siebie warunkach, tzn. przy nasłonecznieniu 1000 W/m2, temperaturze ogniwa 25oC oraz przy widmie promieniowania AM 1,5.

* Napięcie w punkcie mocy maksymalnej (Vmpp) – maksymalne napięcie, jakie może osiągnąć moduł pod obciążeniem przy podłączonym urządzeniu, które pobiera energię.

* Napięcie rozwarcia (Voc) – maksymalne napięcie, jakie powstaje na module, do którego nie są podłączone żadne urządzenia pobierające energię.

* Prąd w punkcie mocy maksymalnej (Impp) – maksymalny prąd, jaki może wyprodukować moduł w optymalnych dla siebie warunkach, pod obciążeniem.

* Prąd zwarciowy (Isc) – maksymalny prąd, jaki może wyprodukować moduł w optymalnych dla siebie warunkach, bez obciążenia.

* Maksymalne napięcie pracy – wielkość określająca maksymalne napięcie łączonych ze sobą szeregowo modułów. Suma napięć wszystkich łączonych szeregowo modułów nie może przekroczyć tej wartości.

Nasłonecznienie

Łatwo zauważyć, że podawane w powyższych definicjach optymalne warunki pracy ogniwa fotowoltaicznego, czyli nasłonecznienie równe 1000 W/m2, temperatura ogniwa 25ºC i AM 1,5, w praktyce nigdy nie będą osiągnięte jednocześnie. W rzeczywistości przy praktycznie maksymalnym możliwym nasłonecznieniu (1000 W/m2) temperatura ogniwa zawsze przekroczy 25ºC. Powyższe warunki są więc jedynie warunkami uzyskiwanymi w laboratorium i określane są skrótem STC – z ang. Standard Test Conditions. Realne parametry pracy ogniwa podawane są dla tzw. NOTC, czyli Normal Operating Cell Temperature. Jest to nasłonecznienie 800 W/m2 przy temperaturze ogniwa 20ºC. Parametr AM 1,5 oznacza, że promienie słoneczne padają pod kątem z = 48,2º w stosunku do położenia słońca w zenicie [1].

AM = 1/cosz

Podobnie jak w przypadku kolektorów słonecznych wyższe temperatury wewnątrz kolektora powodują zwiększenie strat ciepła, tak wyższe temperatury ogniwa fotowoltaicznego oznaczają spadek napięcia uzyskiwanego na zaciskach w stosunku do napięcia podawanego dla STC. Niższe temperatury pracy powodują wzrost napięcia. Jest istotna cecha paneli fotowoltaicznych, gdyż zmiany napięcia należy uwzględnić, dobierając inwerter, czyli urządzenie zamieniające prąd stały otrzymywany z ogniw na prąd przemienny gotowy do wprowadzenia do sieci elektrycznej. W naszej strefie klimatycznej, dobierając inwerter, należy przyjąć jako minimalną temperaturę pracy ogniwa fotowoltaicznego co najmniej -25 ºC. Warto o tym pamiętać, gdyż programy doborowe producentów inwerterów najczęściej mają domyślenie przyjętą wyższą minimalną temperaturę pracy ogniwa (np. -10ºC). Na rysunku 1 można również zauważyć, że natężenie prądu modułu fotowoltaicznego ulega nieznacznym wahaniom wraz ze zmianą temperatury. W przeciwieństwie do wzrostu napięcia – wraz ze spadkiem temperatury ogniwa fotowoltaicznego natężenie prądu nieznacznie spada.

Wzrost temperatury ogniwa przyczynia się do wzrostu natężenia prądu na zaciskach panelu fotowoltaicznego. W minimalnym stopniu zmiana natężenia prądu zmniejsza spadek mocy panelu fotowoltaicznego wraz ze wzrostem temperatury (jak pamiętamy z lekcji fizyki: moc to iloczyn napięcia i natężenia prądu).

Zacienienie

Kolejnym zjawiskiem, którego wpływu nie wolno pominąć, projektując instalację fotowoltaiczną, jest zacienienie. Moduły fotowoltaiczne będą pracować w różnych warunkach pogodowych. Tym samym intensywność napromieniowania słonecznego docierającego do ogniwa fotowoltaicznego będzie zmienna, a jego moc wraz ze zmianą napromieniowania będzie także ulegać zmianie. Na rysunku 2 pokazano zależność maksymalnego punktu mocy ogniwa (MPP) od intensywności promieniowania słonecznego.

Spadek dostępnej mocy zależy od stopnia nasłonecznienia, ale spadek nasłonecznienia to nie tylko pogorszenie się pogody i zachmurzone niebo. Również częściowe przesłonięcie panelu fotowoltaicznego przez cień jakiegoś obiektu (komin, drzewo, inny budynek lub inny panel) ma wpływ na pracę całej instalacji. Jeśli przykładowo zacienimy pojedynczy panel, traci on na mocy, pozostałe panele w instalacji, jeśli są połączone szeregowo, będą oddawać do instalacji taką samą ilość energii jak panel zacieniony. Pozostała cześć energii zostanie wytracona na ciepło emitowane przez panel przysłonięty. Wystarczy nawet częściowe zacienienie jednego modułu, aby skutkowało to spadkiem wydajności całego zestawu paneli ze sobą połączonych. Moc szeregowo połączonych ze sobą paneli fotowoltaicznych to iloczyn ich ilości oraz mocy „najsłabszego” z nich. Tym samym moc szeregu paneli, w którym jeden z nich jest częściowo zacieniony (oddaje więc mniejszą moc), będzie równa iloczynowi mocy zacienionego panelu i ilości paneli w szeregu (stringu). Sposobem zapobiegania takim efektom jest łączenie paneli równolegle. Dlatego też już na etapie doboru miejsca montażu paneli należy zwrócić szczególną uwagę na możliwość zacieniania powierzchni montażu. Cień może pochodzić od istniejących na stałe obiektów, np. linie i słupy elektryczne, kominy, elementy dachu. Warto także zastanowić się nad możliwością pojawienia się cienia w przyszłości, np. od rosnących drzew. Producenci, aby zminimalizować negatywny efekt częściowego zacieniania panelu fotowoltaicznego, łączą cele za pośrednictwem specjalnych diod obejściowych. Od tego, ile tych diod jest zastosowanych, zależy podatność modułu na zjawisko spadku mocy spowodowanej zacienieniem. Montując moduły w miejscach, gdzie zacienienie jest nieuniknione, należy dobrać takie ułożenie modułu, aby diody obejścia prawidłowo spełniały swoją rolę. Najczęściej diody obejścia dzielą panel fotowoltaiczny na pionowe części, jeśli jest więc ryzyko zacienienia panelu z dołu lub z góry, zaleca się montaż paneli w orientacji poziomej, a jeśli ryzyko zacieniania występuje z lewej lub prawej strony – panele należy montować w ustawieniu pionowym. Stałe zacienie fragmentów ogniwa fotowoltaicznego może doprowadzić do nieodwracalnego uszkodzenia modułu, a tym samym stałego spadku wydajności.

Inwerter

Sercem instalacji fotowoltaicznej jest urządzenie nazywane inwerterem, które przede wszystkim przekształca otrzymywany z paneli prąd stały w akceptowalny przez odbiorniki prąd przemienny. Instalacje fotowoltaiczne dzielimy na pracujące w systemie wyspowym (autonomiczne), czyli niezależnie od sieci elektrycznej z ang. off grid, nie podłączone do sieci i nie oddające nadwyżek energii elektrycznej do sieci elektrycznej. Drugi rodzaj instalacji jest podłączony do sieci elektrycznej z ang. on grid. Energia niespożytkowana na własne potrzeby jest więc sprzedawana do sieci elektrycznej lub też cała dostępna energia elektryczna jest odprowadzana do sieci. Wybór sposobu pracy instalacji należy do inwestora. Ze względów bezpieczeństwa inwertery dedykowane do pracy z siecią elektryczną wyłączają dopływ prądu z instalacji fotowoltaicznej w przypadku zaniku prądu w sieci elektrycznej. 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. Natomiast inwertery typu „off grid” dostarczają energię elektryczną z instalacji zawsze, kiedy jest ona dostępna. Uniezależniają nas więc od dostaw prądu z sieci. Aby magazynować energię elektryczną, instalacje uzupełnia się o zestaw akumulatorów. Nadwyżki energii niewykorzystane w ciągu dnia mogą być więc zużyte po zachodzie słońca. Możliwa jest również instalacja kombinowana, tzn. taka, która pracuje w połączeniu z siecią elektryczną i w przypadku nadwyżki energii umożliwia jej sprzedaż, ale w momencie zaniku energii elektrycznej w sieci poprzez dodatkowe urządzenie odłącza instalację fotowoltaiczną od sieci zewnętrznej i zasila tylko odbiorniki użytkownika instalacji.

Systematyzując informacje o sposobie łączenia modułów fotowoltaicznych, trzeba dodać, iż łącząc panele szeregowo, moc instalacji stanowi sumę mocy poszczególnych ogniw fotowoltaicznych (a dokładniej jest to iloczyn mocy „najsłabszego” panelu i ilości paneli), podobnie napięcie na przewodach wyjściowych pola modułów jest iloczynem ilości modułów i napięcia na zaciskach pojedynczego modułu, natomiast natężenie prądu jest takie, jak dla pojedynczego modułu. Panele połączone równolegle charakteryzują się mocą wynikającą z sumy mocy pojedynczego ogniwa (jak przy łączeniu szeregowym). Napięcie jest równe napięciu z pojedynczego ogniwa, a natężenie prądu jest sumą natężeń z poszczególnych ogniw. W większych instalacjach ogniwa łączone są w pola, tzw. stringi, a te z kolei łączone są z inwerterami. Zależnie od potrzeb i wielkości instalacji fotowoltaicznej możemy stosować inwertery prądu jednofazowego lub trójfazowego.

Montaż

„Domowe” instalacje fotowoltaiczne najlepiej montować na dostępnej połaci dachowej. Ograniczeniem z pewnością będzie ustawienie budynku względem stron świata. Podobnie jak instalacje solarne – panele fotowoltaiczne powinny być ustawione jak najbliżej kierunku południowego. Dodatkowo dostępna przestrzeń montażowa może zostać zmniejszona przez fragmenty czasowo zacieniane. Jak wiemy z wcześniejszych akapitów, zacienianie ogniw fotowoltaicznych jest bardziej szkodliwe niż w przypadku kolektorów słonecznych. Ze względu na stabilność konstrukcji kąt pochylenia dachu determinuje kąt montażu, gdyż nie ma sensu stosować na dachach pochyłych uchwytów zmieniających pochylenie paneli w stosunku do połaci dachowej. Znacznie łatwiej jest zatem rozplanować instalacje fotowoltaiczne posadowione na gruncie (lub dachu płaskim). Na rynku znajdziemy oferty gotowych systemów montażowych dedykowanych pod montaż na dachu oraz w wariancie wolnostojącym z możliwością wyboru optymalnego kąta montażu. Jeśli zdecydujemy się na taki system, znacząco skrócimy czas wykonania inwestycji i mamy pewność, że wszystko będzie do siebie pasować. Bardzo istotne jest, aby przy rozmieszczaniu paneli wolnostojących nie dopuścić do wzajemnego zacieniania się rzędów instalacji. Należy określić, jakie są minimalne odległości między rzędami instalacji. Przedstawiony poniżej wzór [1] służy do wyznaczenia minimalnej odległości między rzędami posadowionych na płaskiej powierzchni instalacji (rys. 3). Do wyznaczenia odległości z musimy znać:

* α – kąt padania promieni słonecznych 21 grudnia, gdy słońce jest w zenicie,

* h2 – przewyższenie górnej krawędzi modułu ponad dolną krawędź [m],

* φ – szerokość geograficzną punktu montażu instalacji,

x = h2/tgα

α = 90o – φo – 23o27’.

Przykładowo dla Bydgoszczy położonej na szerokości geograficznej ok. φ = 53º kąt padania promieni słonecznych wynosi ok. Β = 13,5º. Jest to kąt padania promieni słonecznych w najbardziej niekorzystnym dniu, czyli 21 grudnia, kiedy dzień jest najkrótszy i promienie słoneczne padają pod najostrzejszym kątem. W obliczeniach zakłada się pozycje słońca w zenicie, toteż w ciągu dnia zacienianie modułów może wystąpić. Ze względu na zajętość miejsca instalacji powyższe założenie jest niezbędne. W przydomowych instalacjach wolnostojących, jeśli jest dostępne miejsce, warto więc rozważyć montaż paneli fotowoltaicznych w jednym rzędzie.

Zakończenie

Energia słoneczna stanowi doskonałą alternatywę dla energii pozyskiwanej z tzw. paliw kopalnych. Obecnie oferowane systemy fotowoltaiczne są dopracowanymi instalacjami mogącymi pokryć zapotrzebowanie użytkowników indywidualnych, jak i obiektów przemysłowych. Przeszkodą w jeszcze efektywniejszej eksploatacji energii słonecznej jest magazynowanie otrzymywanej energii elektrycznej. Dostępne na rynku akumulatory ze względu na straty energii nadają się do stosunkowo krótkotrwałego magazynowania energii, np. do wykorzystania w nocy energii otrzymanej w ciągu poprzedniego dnia. Problematyczne jest także przekazywanie energii na duże odległości, czyli z obszarów mocno nasłonecznionych, jak np. Afryka, do obszarów o dużym zapotrzebowaniu na energię (np. Europa). Mimo to energia słoneczna jest przyszłością energetyki.

Paweł Kowalski

Bibliografia:

[1] solaris18.blogspot.de, blog Bogdana Szymańskiego poświęcony odnawialnym źródłom energii i tematom pokrewnym.

[2] “International Journal of Photoenergy” Volume 2012, “Hopfield Neural Network Optimized Fuzzy Logic Controller for Maximum Power Point Tracking in a Photovoltaic System”, Subiyanto, Azah Mohamed, Hussain Shareef (2012).

Rys. 1. Charakterystyka U-I – wpływ zmiany temperatury [2].

Rys. 2. Charakterystyka U-I – wpływ zmiany promieniowania [2].

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij