Domowa elektrownia słoneczna. Co trzeba wiedzieć przed założeniem elektrowni słonecznej?
Własna domowa elektrownia słoneczna? Dlaczego nie? Systemy wsparcia finansowego inwestycji jaką jest elektrownia słoneczna są w Polsce bardzo korzystne, a ceny instalacji fotowoltaicznych wciąż spadają. Co trzeba wiedzieć, aby taką elektrownię słoneczną założyć we własnym domu?
Artykuł jest częścią akcji specjalnej TERMOMODERNIZACJA, w której przekonujemy, jak ważne jest kompleksowe do niej podejście.
Domowa elektrownia słoneczna słoneczna coraz popularniejsza
Jeszcze kilka lat temu Polska znajdowała się w czołówce państw europejskich pod względem rocznie montowanych powierzchni kolektorów słonecznych. Obecnie są one stosowane coraz rzadziej, a ich miejsce zajmują pompy ciepła oraz właśnie elektrownie słoneczne - instalacje fotowoltaiczne. Systemy wsparcia finansowego takich inwestycji w Polsce są coraz korzystniejsze dla prywatnego odbiorcy energii elektrycznej, a ceny urządzeń wciąż spadają.
Po wejściu w życie ustawy o OZE, określającej zasady bilansowania energii, brak dalszych zmian w przepisach, a taki spokój jest bardzo potrzebny wszystkim uczestnikom rynku, bo pozwala na dostosowanie się do nowej sytuacji. Klienci końcowi wiedzą, czego oczekiwać, firmy instalacyjne znają zasady podłączania do sieci takich elektrowni słonecznych i mogą oferować najlepsze rozwiązania, a dostawcy energii elektrycznej doskonalić własne, np. poprzez ułatwienie przyłączenia do sieci.
Domowa elektrownia słoneczna - dobór komponentów
Typowa domowa elektrownia słoneczna składa się z kilku/kilkunastu paneli fotowoltaicznych połączonych szeregowo w tzw. łańcuch, który podłączany jest bezpośrednio do falownika, zmieniającego napięcie prądu ze stałego na zmienne.
Falowniki, w zależności od mocy, pozwalają na podpięcie od jednego do kilku łańcuchów. Wydaje się to niezwykle proste, jednak liczba paneli czy łańcuchów, a także sposób ich podłączania (szeregowo lub równolegle) zależą od parametrów prądowo-napięciowych zarówno samych paneli, jak i falownika – nie ma tutaj dowolności w doborze komponentów. Falowniki mają z góry zdefiniowane wartości prądowo-napięciowe przeznaczonych im układów paneli. W dokumentacji do przykładowego falownika SB3600TL-21 firmy SMA napisane jest, że do dyspozycji są dwa wejścia – MPP A i MPP B (z ang. Maximum Power Point), a każde z nich ma dodatkowo możliwość przyłączenia dwóch łańcuchów.
Każde wejście tego typu jest dla falownika osobną, działającą niezależnie instalacją fotowoltaiczną, którą odpowiednio obciąża, aby uzyskać możliwie najlepsze parametry pracy. Pozwala to pogrupować urządzenia skierowane w tę samą stronę w ramach jednej instalacji i podłączyć pod jedno z wejść MPP, a pozostałe podłączyć wspólnie pod drugie wejście MPP. Wejście łańcucha paneli przeznaczone jest na napięcie stałe + i –.
Przy połączeniu szeregowym paneli fotowoltaicznych na krańcach otrzymuje się sumę napięć wszystkich urządzeń. Ważne jest, aby typowe napięcie ich pracy mieściło się w zakresie działania MPP określonym w dokumentacji technicznej oraz nie przekraczało wartości minimalnych i maksymalnych. Jeżeli będzie ono za niskie, instalacja fotowoltaiczna może w ogóle nie pracować, natomiast przy zbyt wysokim będą występowały zatrzymywania awaryjne. Dlatego też liczba paneli musi odpowiadać parametrom falownika i nie powinna być modyfikowana w późniejszym etapie.
Równoległe połączenie paneli PV nie sumuje napięcia, lecz powoduje, że na zaciskach końcowych otrzymuje się sumę natężenia prądu. I tu, podobnie jak w przypadku napięcia, należy sprawdzić możliwości falownika odnośnie do maksymalnego natężenia na wejściu.
Domowa elektrownia słoneczna - montaż paneli słonecznych
Jeden panel fotowoltaiczny zajmuje na dachu stosunkowo dużo miejsca – ok. 1,6 m². Typowa, nawet mała instalacja to już powierzchnia wielokrotnie większa i wbrew pozorom wcale niełatwo ją na dachu znaleźć, tym bardziej że najczęściej najlepsze efekty pracy uzyskuje się, kiedy moduły skierowane są na południe, co jeszcze bardziej ogranicza dostępne miejsce. Panele można również ustawić na wschód lub zachód, jednak należy liczyć się z mniejszymi rocznymi zyskami energii elektrycznej.
Oprócz kierunku ważny jest także kąt nachylenia. Największa ilość energii w skali całego roku, bo aż 80%, dociera do instalacji w okresie od kwietnia do września, kiedy słońce znajduje się wysoko nad horyzontem. Optymalny kąt ustawienia paneli dla Polski zawiera się w zakresie od 32 do 35°. Przy często spotykanym kącie pochylenia dachu 45° efektywność jest niższa, ale tylko o ok. 1–2%. Ponadto wszystkie panele instalacji powinny być skierowane w tę samą stronę. Napięcie na końcach stanowi sumę różnicy potencjałów każdego panelu, natomiast natężenie równe jest wartości każdego z nich. Wartość prądu zależy w dużym stopniu od natężenia promieni słonecznych. Płyta zacieniona będzie miała podobną wartość napięcia jak nasłoneczniona, lecz znacznie mniejszą wartość prądu. Połączenie szeregowe, w którym jedna płyta jest zacieniona, może spowodować spadek mocy całej instalacji znacznie większy od tej jednej zacienionej płyty.
Przykład z fot. 1. pokazuje 12 paneli połączonych szeregowo, z których trzy zainstalowane są na inną stronę świata niż pozostałe. Przy takim układzie można spodziewać się mniejszej ilości produkowanej rocznie energii nawet o ponad 30% – lepszy efekt dałoby się osiągnąć bez tych trzech paneli. Należałoby wcześniej sprawdzić wartości prądowo-napięciowe dla łańcucha 9 paneli oraz wymagania falownika.
Fot. 2. pokazuje przypadek podobny do opisanego wcześniej, a nawet jeszcze bardziej oczywisty. Pojedynczy panel PV skierowany w inną stronę świata niż pozostałe zaburza pracę całej instalacji. Układ oczywiście może działać, ale ilość energii będzie znacznie niższa niż oczekiwana.
Domowa elektrownia słoneczna - zalecenia montażowe
Instalację fotowoltaiczną liczy się na co najmniej 20 lat pracy. Przez cały ten czas jest narażona na niskie i wysokie temperatury, deszcz, śnieg i podmuchy wiatru. Elementy montażowe muszą gwarantować, że panele nie zmienią położenia, a cała konstrukcja będzie się solidnie trzymać dachu. Istotne jest także odpowiednie rozmieszczenie i przygotowanie instalacji do montażu. Producenci paneli zalecają mocowanie zapewniające ich jak największą sztywność.
Moc instalacji PV w domowej elektrowni słonecznej
Uwarunkowania dotyczące wielkości instalacji PV zależą nie tylko od przepisów prawnych czy lokalnych funduszy wspierających zakup, lecz także od kwestii technicznych. Aby falownik mógł skutecznie zasilać sieć domową energią z instalacji fotowoltaicznej, musi podnieść napięcie w celu wytworzenia odpowiedniej różnicy potencjałów. Im dłuższa będzie ścieżka od falownika do rozdzielnicy w domu oraz im większy opór będzie stawiał przewód elektryczny, tym wyższe napięcie będzie musiał generować falownik. Może się okazać, że przy dużej odległości falownik, próbując osiągnąć odpowiednią różnicę potencjałów, przekroczy napięcia dopuszczalne i zostanie wyłączony przez wewnętrzne elementy zabezpieczające (napięcie w sieci domowej ma wartość 230 V z odchyłkami regulowanymi przez Prawo Energetyczne, najczęściej +/– 10%, co oznacza, że najwyższe dopuszczalne napięcie wynosi ok. 253 V).
Zabezpieczenie domowej elektrowni słonecznej
Instalację fotowoltaiczną najczęściej lokalizuje się na dachu, gdzie poza zmiennymi warunkami pogodowymi narażona jest także na destrukcyjne działania wyładowań atmosferycznych. Należy sobie uświadomić, że tego typu system stanowi mikroelektrownię, istotne jest więc, aby został odpowiednio zabezpieczony zarówno po stronie napięcia stałego (DC), czyli paneli fotowoltaicznych, jak i napięcia zmiennego (AC) – sieci elektroenergetycznej.
Podczas normalnej pracy fotowoltaiki na dachu wartości natężenia prądu i napięcia są wysokie i zaniedbania mogą doprowadzić do jej uszkodzenia. Dobór poszczególnych elementów powinien zostać przeprowadzony przez osobę z uprawnieniami projektowymi elektrycznymi. Każdą instalację PV należy chronić przed wyładowaniami elektrycznymi, zarówno bezpośrednimi, jak i pośrednimi.
Rodzaj zastosowanego zabezpieczenia zależy przede wszystkim od tego, czy dany budynek ma zewnętrzną instalację odgromową, a jeżeli tak – czy system PV jest bezpośrednio z nią połączony bądź czy zachowane są odległości izolacyjne. Innymi słowy rodzaj zabezpieczenia zależy od tego, czy istnieje ryzyko bezpośredniego wyładowania atmosferycznego w instalację PV, czy należy ją chronić jedynie od napięcia indukowanego od pobliskich wyładowań. Wartość ogranicznika przepięć powinna zostać dobrana zgodnie z obowiązującą normą, natomiast napięcie zadziałania nie może być niższe niż maksymalne pracy falownika, ponieważ w przeciwnym razie element zabezpieczający uruchomi się w trakcie normalnej pracy instalacji. Zabezpieczenia wymagane po stronie DC muszą być przygotowane do pracy na napięciu stałym, a zatem charakteryzować się krótkim czasem działania.
Niezbędnym elementem jest także rozłącznik, który również musi być przygotowany do pracy z napięciem stałym – wyposażony w elementy do gaszenia łuku elektrycznego. To szczególnie ważne ze względu na istnienie ryzyka powstania pożaru. Na wypadek interwencji straży pożarnej elementy zabezpieczające oraz rozłączniki powinny być czytelnie oznaczone, ponadto musi być zapewniony bezproblemowy dostęp do nich (z tego względu poddasze nie jest najlepszym miejscem montażu).
Domowa elektrownia słoneczna - wybór paneli solarnych
Panele fotowoltaiczne stanowią blisko 50% kosztów całej instalacji, ponadto to od nich zależy, ile energii będzie produkowane. Obecnie na rynku najpopularniejsze są panele polikrystaliczne, z charakterystycznymi kwadratowymi ogniwami o niebieskawej barwie – jest to technologia dostępna od wielu lat, a przez to sprawdzona i budząca zaufanie. Stosowane są one na małych i dużych instalacjach. Ramka zapewnia sztywność oraz wytrzymałość modułu, co jest istotne zarówno dla instalatora, jak i użytkownika.
Na rynku można znaleźć także moduły cienkowarstwowe, w ramce lub bez niej. Ich cechą charakterystyczną są niemal niewidoczne ogniwa, przez co panel jest elegancki, ma ciemne zabarwienie i daje większe możliwości aranżacji dachu. Ponadto mają wyższe wartości efektywności, ponieważ doskonale absorbują nie tylko promieniowanie wysokoenergetyczne, lecz także rozproszone. Wydaje się, że ich jedyną słabą stroną jest mała dostępność na rynku – niewielu producentów ma je w ofercie. Mimo atrakcyjnego wyglądu (dzięki któremu sprawdzą się np. do aranżacji elewacji budynków) należy unikać modeli bezramkowych, ponieważ ich montaż jest problematyczny. Tolerancja mocowania klem wynosi 1 cm, są bardziej podatne na uszkodzenia, a dodatkowo potrzebują do pracy falownika transformatorowego (który jest droższy, cięższy i działający z niższą sprawnością).
Domowa elektrownia słoneczna - instalacja PV
Do połączenia poszczególnych paneli wykorzystuje się przewody przygotowywane przez producenta, trzeba jednak doprowadzić je od instalacji na dachu do falownika, co zwiększa długość okablowania oraz liczbę połączeń. Przewody muszą być przeznaczone specjalnie do instalacji PV, tj. powinny być wzmocnione i wyposażone w specjalną izolację, najlepiej podwójną z polietylenu sieciowanego i gumy bezhalogenowej, o dużej odporności na warunki atmosferyczne i promieniowanie UV, a także zwiększonej odporności ogniowej. Najczęściej jest to linka miedziana, ocynowana, zwykle o przekrojach nie mniejszych niż 4 lub 6 mm².
Przewody powinny być prowadzone w oznaczonych trasach kablowych, uniemożliwiających uszkodzenie izolacji, szczególnie w miejscu przejścia przez dach lub ścianę budynku, w sposób zapobiegający indukowaniu się przepięć. Należy prowadzić przewody dodatnie i ujemne obok siebie na całej trasie. To samo dotyczy przewodów ochronnych, uziemiających, o czym się często zapomina. Należy je prowadzić tak, aby nie tworzyć pętli indukcyjnej z przewodami +/– DC.
Zgłoszenie domowej elektrowni słonecznej przed uruchomieniem
Mikroinstalacja fotowoltaiczna wprowadza wyprodukowaną energię elektryczną do rozdzielnicy domowej na wybraną fazę lub wszystkie trzy, zależnie od zastosowanego falownika. Jest na bieżąco wykorzystywana przez urządzenia elektryczne w domu, natomiast nadmiar kieruje się do sieci energetycznej. Warto wiedzieć, że po zgłoszeniu mikroinstalacji do sieci Zakład Energetyczny zamienia dotychczasowy licznik jednokierunkowy energii elektrycznej na dwukierunkowy, a więc taki, który zlicza zarówno energię pobraną, jak i oddaną. Ilość tej drugiej można następnie pobierać ze współczynnikiem korekcyjnym 0,8 lub 0,7 (zależnie od wielkości instalacji) przez kolejnych 365 dni. Sieć pełni rolę swego rodzaju magazynu energii elektrycznej, pracującego ze sprawnością 80 lub 70%. Ważne, aby nie uruchamiać instalacji fotowoltaicznej przed zamianą licznika, ponieważ na urządzeniu jednokierunkowym każdy ruch energii elektrycznej liczony jest jako zużycie. Zgłoszenie instalacji PV do przyłączenia do sieci nie stanowi dzisiaj najmniejszego problemu, a cała procedura trwa mniej niż miesiąc.
Autor: Gettyimages
Artykuł jest częścią akcji specjalnej TERMOMODERNIZACJA, w której przekonujemy, jak ważne jest kompleksowe do niej podejście i jakie są obecnie możliwości finansowania takich przedsięwzięć.
