W cyklu artykułów poświęconych fotowoltaice spróbuję szczegółowo przedstawić czytelnikom teorię i praktykę dotyczącą instalacji fotowoltaicznych. Odpowiem m.in. na pytanie, ile „prądu” zaoszczędzę, a ile środków muszę wydać na inwestycję. Jak optymalnie dobrać wielkość instalacji i przy okazji ustrzec się przed typowymi błędami?

Wiemy już, jak to jest z tą energię słoneczną (Fotowoltaika bez tajemnic – 1), teraz spróbujemy zapoznać się danymi technicznymi paneli fotowoltaicznych, żeby wiedzieć, ile realnie energii słonecznej możemy zamienić na prąd.

Zamiana na prąd

Dane techniczne paneli fotowoltaicznych zawierają kilkanaście parametrów opisujących, jak zachowuje się panel w trakcie eksploatacji. Na rys. 1 możemy przyjrzeć się przykładowym danym panelu fotowoltaicznego jednego z producentów [1]. Zwróćmy uwagę, że dane są podzielone na dwie grupy: „dane elektryczne przy STC” oraz „dane elektryczne przy NOCT”. Podstawowy parametr panelu, czyli moc elektryczna, dość mocno spada wg NOCT w stosunku do wartości podanej wg STC. Co to jest STC i NOCT? Czym się różnią?

przykładowe dane panelu fotowoltaicznego

Skróty te oznaczają warunki, w jakich dokonano pomiaru parametrów technicznych panelu fotowoltaicznego. STC oznacza z angielskiego Standard Test Conditions, natomiast NOCT to Normal Operating Cell Temperature. Pomiar wg STC to pomiar przy nasłonecznieniu o mocy 1000 W/m2 przy temperaturze ogniwa 25°C oraz parametrze widma promieniowania Air Mass – AM 1,5.

Warunki takie nigdy nie wystąpią w rzeczywistości. Przy praktycznie maksymalnym możliwym nasłonecznieniu (czyli 1000W/m2) nie jest możliwe utrzymanie temperatury ogniwa na poziomie 25°C. W słoneczny dzień temperatura powietrza przekracza o kilka stopni 25°C, tym bardziej temperatura panelu będzie dużo wyższa. Parametr AM = 1,5 określa, że promienie słoneczne padają pod kątem 48,2o w stosunku do położenia słońca w zenicie.

Bardziej wiarygodne i mogące wystąpić w rzeczywistych warunkach pracy są parametry podawane wg NTC. Nasłonecznienie 800 W/m2, przy temperaturze powietrza 20°C oraz wietrze o prędkości 1 m/s i AM = 1,5. Na rysunku 1 widać, że różnice w mocy maksymalnej wg STC i NOCT wynoszą ok. 25% (260 W i 193,4 W). Która moc jest realnie osiągalna w trakcie eksploatacji?

Na pewno nie 260 W, ale nie jest wykluczone uzyskanie w pewnych warunkach mocy powyżej tej podanej wg NOCT. Warto wiedzieć, że praktycznie wszystkie oferty handlowe zawierające informację o mocy elektrycznej pakietu fotowoltaicznego lub zamontowanej instalacji uwzględniają moc wg STC. Jest to standardowa informacja charakteryzująca instalację. Również w przypadku starania się o dofinansowanie do zakupu i montażu instalacji fotowoltaicznej podajemy moc wg STC.

Pozostałe parametry przykładowych danych technicznych panelu fotowoltaicznego:

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

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

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

* Prąd zwarciowy (Isc) – maksymalny prąd, jaki może wyprodukować moduł w najoptymalniejszych 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.

Istotne z punktu widzenia doboru inwertera do instalacji oraz konfiguracji połączenia paneli są bezwzględne współczynniki temperaturowe i procentowe współczynniki temperaturowe (Isc, Uoc, Pmpp). Informują one, jak zmienia się natężenie prądu (Isc), napięcie (Uoc) oraz moc (Pmpp) panelu fotowoltaicznego wraz ze zmianą jego temperatury w stosunku do warunków STC, czyli w stosunku do temperatury ogniwa wynoszącej 25oC.

Przykładowo wartość bezwzględnego współczynnika temperaturowego Uoc = -0,121 V/oC oznacza, że wraz ze wzrostem temperatury panelu fotowoltaicznego o 1oC napięcie na jego zaciskach spada o 0,121 V. Jeśli wg warunków STC wartość Uoc wynosi 37,78 V, to przy temperaturze ogniwa równej np. 60oC napięcie rozwarcia spadnie do wartości 33,54 V (37,78 V – (60 – 25) * 0,121 V), natomiast napięcie w maksymalnym punkcie mocy (Umpp) będzie wynosić ok. 26,66 V. Z powyższych informacji wynika, że zależnie od temperatury panelu fotowoltaicznego będzie on generował na przyłączu wyższe lub niższe napięcie (patrz rys. 2 [2]), a tym samym – zmienna będzie jego moc.

Wykres zależności natężenia prądu od napięcia dla paneli fotowoltaicznych

Im cieplej na zewnątrz, a więc im cieplejszy będzie panel, tym mniej energii będzie dostarczone. Będą większe straty na zamianie promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Okazuje się więc, że przetwarzaniu energii słonecznej na elektryczną sprzyja klimat chłodniejszy niż tropikalny. Wbrew opiniom przeciwników fotowoltaiki, którzy twierdzą, że Polska jest krajem, w którym ze względu na klimat fotowoltaika nie ma sensu, uważam, że mamy bardzo dobre warunki do korzystania w tego rodzaju źródła energii. Moc elektryczna to iloczyn napięcia i natężenia prądu na zaciskach panelu fotowoltaicznego. Jak już wiemy, parametry te zależą od kilku czynników, jednakże najważniejsza jest ilość promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię panelu. Na rys. 3 [3] pokazano zależność napięcia i natężenia prądu od nasłonecznienia.

zależność napięcia i natężenia prądu od nasłonecznienia

Charakterystyki takie są definiowane dla modeli paneli fotowoltaicznych. Gdybyśmy chcieli sprawdzić, jaką moc otrzymamy z przykładowego panelu (rys. 3) przy natężeniu promieniowania słonecznego 800 W/m2, należałoby znaleźć punkt na linii opisanej 800 W/m2, dla którego iloczyn natężenia prądu i napięcia da najwyższą wartość. Będzie to optymalny punkt pracy instalacji przy danym nasłonecznieniu (800 W/m2 ). Punkt taki nazywa się punktem mocy maksymalnej, w skrócie MPP (z ang. Maximum Power Point).

Oczywiście użytkownik czy instalator nie będzie takiego punktu szukał samodzielnie. Jest to zadanie dla sterownika instalacji fotowoltaicznej, czyli inwertera (inna nazwa falownik) instalacji fotowoltaicznej. Jest to serce całej instalacji. Jednym z zadań inwertera jest szukanie punktu MPP. O ile algorytm szukania MPP, gdy słońce jest w zenicie (rys. 4 – niebieska linia) [5] jest prosty, to znalezienie faktycznie najoptymalniejszego punktu w słabych warunkach nasłoniecznienia (pozostałe linie na rys. 4) wymaga zastosowania inwertera renomowanego producenta.

szukanie punktu MPP

Kiepski algorytm wyszukiwania może zatrzymać się na lokalnym MPP (LMPP wg rys. 4), które nie musi oznaczać największej możliwej w danej chwili mocy energii elektrycznej.

Zadanie dla inwertera

Podstawowym zadaniem inwertera jest konwersja napięcia stałego otrzymywanego z modułów fotowoltaicznych na napięcie przemienne oraz znalezienie i praca instalacji w MPP. Dodatkowo panel informacyjny dla użytkownika może podawać moc chwilową, napięcie chwilowe, uzyski dziennie itp. Ponadto zabezpiecza obwody po stronie prądu stałego i przemiennego, np. przed odwrotną polaryzacją, przed przeciążeniem, itp.

Zależnie od modelu inwerter może podawać informację o łącznej sumie energii oddanej do sieci, historię błędów, impedancję sieci, częstotliwość sieci, łączną sumę godzin pracy, łączną sumę godzin pracy z zasilaniem sieci, natężenie prądu oddawanego do sieci, natężenie prądu stałego, łączną sumę łączeń z siecią, rezystancję izolacji instalacji fotowoltaicznej przed połączeniem z siecią, numer seryjny urządzenia, aktualny stan roboczy, napięcie sieci.

Uzupełniając informację o istotnych parametrach panelu fotowoltaicznego, trzeba koniecznie napisać o parametrze określanym jako tolerancja mocy. W przykładowych danych technicznych (rys. 1) przeczytamy, że minimalna tolerancja mocy STC wynosi 0%, a maksymalna tolerancja mocy wynosi 3%. Co to oznacza? Jeśli kupujemy kilka/kilkanaście sztuk paneli do naszej instalacji (typowa instalacja domowa to co najmniej 6-8 sztuk paneli), to powinnyśmy wybrać panele o tzw. dodatniej tolerancji mocy. W naszym przykładzie panele posiadają właśnie dodatnią tolerancję mocy 0/+3%.

Oznacza to, że jeśli producent deklaruje moc panelu wg STC jako np. 260 W, to każdy panel przez niego oferowany będzie miał wg warunków STC moc wynoszącą co najmniej 260 W z możliwością trafienia na egzemplarze o mocy maksymalnie 3% wyższej niż te 260 W, czyli zakupione panele będą miały moc z zakresu od 260 do 267,8 W. Jest bardzo ważny parametr, gdyż panele fotowoltaiczne łączone są w instalacjach szeregowo (w dużych instalacjach szeregi łączone są też równolegle) i w takiej konfiguracji moc poszczególnych paneli jest taka jak moc najsłabszego panelu w szeregu.

Będzie to szerzej omówione w kolejnej części artykułu.

Paweł Kowalski

Bibliografia:

[1] www.stiebel-eltron.pl/produkty/fotowoltaika/tegreon-260p

[2] www.solarelectricsupply.com/sanyo-hit-power-235s-vbhn-235sa06-solar-panels

[3] panasonic.net/ecosolutions/solar/new/

[4] electronicdesign.com/power/solar-power-warms-distributed-pv-systems

[5] www.sma.de/en/partners/knowledgebase/made-for-shade.html

Prenumerata Magazynu Instalatora

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