Gdzie umieścić moduły fotowoltaiczne? Najważniejsze wytyczne montażowe
Etap montażu modułów fotowoltaicznych jest ściśle powiązany z etapem planowania instalacji oraz z samą specyfiką działania ogniw PV. Na ilość energii generowanej w ciągu roku wpływa wiele aspektów i są to m.in.: miejsce montażu modułów, kąt nachylenia, orientacja i odchylenie od kierunku południowego oraz skutki oddziaływania czynników atmosferycznych. Zrozumienie wpływu tych zależności na pracę panelu oraz podjęcie działań minimalizujących skutki czynników zewnętrznych na całą instalację przełoży się na długą, bezawaryjną i bezpieczną eksploatację systemu PV.
Spis treści
- Działanie panelu PV
- Orientacja oraz nachylenie modułów PV
- Zacienienie instalacji
- Zabezpieczenia elektryczne
- Montaż w pionie czy w poziomie
- Temperatura modułów w zależności od sposobu montażu
- Podsumowanie
Działanie panelu PV
Moduły fotowoltaiczne do generowania energii elektrycznej wykorzystują zjawisko fotowoltaiczne. Polega ono na „wybijaniu” elektronów z konkretnych pasm energetycznych w danym materiale pod wpływem promieniowania świetlnego. W połączeniu z odpowiednią konstrukcją ogniwa (wykorzystującą elektrody ujemną i dodatnią) przyczynia się to do wytworzenia różnicy potencjałów oraz przepływu prądu stałego pomiędzy elektrodami. Za podatność na ten efekt odpowiada krzem, który m.in. z tego względu stosuje się do wyrobu ogniw, choć na rynku można również spotkać tzw. ogniwa cienkowarstwowe wykonane z arsenku galu (GaAs) czy tellurku kadmu (CdTe), a także ogniwa miedziowo-indowo-galowo-selenowe (CIGS). Każdy typ ogniw ma swoje zalety, jednak ze względu na najwyższą sprawność w stosunku do ceny w Europie stosowane są przede wszystkim krzemowe.
Całość promieniowania słonecznego padającego na panel można podzielić na: promieniowanie bezpośrednie, które dotarło do ogniw bez przeszkód, promieniowanie rozproszone przez chmury i atmosferę oraz promieniowanie odbite od powierzchni ziemi oraz innych obiektów. Pod względem energetycznym najlepiej, żeby na panel zawsze padało promieniowanie bezpośrednie, pod kątem 90° jednak w praktyce, w przypadku Polski, jest niewiele dni, w których rzeczywiście mamy do czynienia z takimi warunkami, a na ogniwa przez większość czasu będzie świecić słońce w znacznym stopniu przysłonięte przez chmury. W związku z tym szczególnie istotną kwestią jest zamontowanie modułów w taki sposób, aby otrzymać jak największe uzyski energii w ciągu całego roku.
Orientacja oraz nachylenie modułów PV
Biorąc pod uwagę przebiegi słońca na półkuli północnej, na której znajduje się Polska, optymalną orientacją dla ustawienia paneli w naszym kraju jest kierunek południowy. Każde odchylenie od skierowania instalacji idealnie na południe będzie generowało spadki w produkcji energii względem optimum.
Nie każdy dach jest jednak ustawiony w sposób najbardziej sprzyjający montażowi PV, co więcej, często może mieć dwie połacie, z których żadna nie jest skierowana na południe, lecz np. na wschód i zachód. Nie przekreśla to jednak zasadności montażu instalacji na takim budynku, choć oczywiście uzyski w ciągu roku będą niższe. Aby osiągnąć analogiczną produkcję energii do instalacji ustawionej na południe, konieczne będzie dołożenie kilku modułów. Takie instalacje są powszechnie wykonywane i pracują, z powodzeniem dostarczając energię do wielu gospodarstw domowych. Więcej swobody jest natomiast przy instalacjach wolnostojących. Jeżeli inwestor ma dostępny teren, w którym można dowolnie zorientować instalację, zdecydowanie zaleca się jej montaż na południe, ponieważ przełoży się to na najbardziej efektywną pracę oraz na najkrótszy czas zwrotu inwestycji.
Kolejną kwestią jest prawidłowe nachylenie modułów fotowoltaicznych. Jak w przypadku orientacji na południe, tutaj również większość instalatorów prawidłowo stwierdzi, że panele powinny być zamontowane pod kątem ok. 35° do ziemi. Przy głębszej analizie można jednak zauważyć, że optymalna wartość nachylenia nie jest stała dla całej Polski. Podczas porównania dwóch mocno oddalonych od siebie punktów na mapie naszego kraju, np. Gdyni oraz Krakowa, okaże się, że na pomorzu optymalny kąt wyniesie 40°, a na południa 38° (wartości zostały określone na podstawie bazy PVGIS). Różnice te są jednak marginalne.
Co w przypadku gdy mamy do czynienia z dachem o nachyleniu 20°, a nawet 15°? W takiej sytuacji wielu klientów, jak również instalatorów, zaczyna rozważać wykonanie na dachu konstrukcji mającej zwiększyć nachylenie. Pod względem uzysku energii rzeczywiście przełoży się to na większą produkcję w ciągu roku, jednakże pod względem ekonomicznym taka inwestycja będzie kompletnie nieopłacalna. Uzysk kilkudziesięciu kilowatogodzin rocznie nie pokryje nakładów finansowych, które inwestor będzie musiał ponieść, aby taką konstrukcję wykonać. W tym przypadku w grę może również wchodzić konieczność przeliczenia wytrzymałości dachu na podrywanie (siłę skierowaną pionowo do góry), a najczęściej takie obliczenia nie są brane pod uwagę przy projekcie budynku, więc trzeba będzie opłacić odpowiedniego specjalistę.
Obecnie można również zobaczyć instalacje zamontowane całkowicie w pionie na ścianach zewnętrznych bloków mieszkalnych oraz biurowców. Montaż w poziomie, bez żadnego spadku, jest już jednak niedopuszczalny i to nie tylko ze względu na efektywność produkcji energii. Trzeba pamiętać, że moduły muszą być zamontowane z minimalnym nachyleniem, aby zapewnić swobodny spływ wody deszczowej. Spowoduje to ich obmycie z kurzu oraz zapobiegnie zaleganiu wody, która w ujemnych temperaturach zamarzłaby i spowodowała tworzenie mikroszczelin i mikropęknięć w przedniej szybie modułu.
Nachyleniem instalacji fotowoltaicznej najłatwiej manewrować, jeśli jest ona zamontowana na gruncie lub na dachu płaskim i tutaj już warto przeanalizować, jaki kąt będzie optymalny dla danego miasta, i w ten sposób wykonać instalację.
Przeczytaj również:
- Instalacje PV. Projekt i sposoby montażu instalacji PV na dachach hal przemysłowych
- Perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne - jakie mają zastosowanie? Czy zastąpią obecne ogniwa fotowoltaiczne?
Zacienienie instalacji
Przed montażem instalacji trzeba przenalizować docelowe miejsce jej lokalizacji pod kątem obiektów mogących wpływać na zacienienie modułów. Dość oczywistymi obiektami rzucającymi cień są wysokie drzewa oraz okoliczne zabudowania, jednak wielu instalatorów, montując instalację w lato, kiedy słońce jest wysoko, ponad drzewami, nie bierze pod uwagę, że w miesiącach jesiennych i zimowych słońce będzie znacznie niżej.
To, co nie było przeszkodą na wiosnę lub lato, może generować sporo cienia w drugiej części roku. Aby ustrzec się przed błędami w tym temacie, warto skorzystać z jednej z wielu dostępnych aplikacji na smartfony, pozwalających na prześledzenie przebiegu słońca w dowolnym dniu w roku. W przypadku modułów PV najmniej optymalnym dniem będzie zarazem najkrótszy dzień w roku (21 grudnia), kiedy słońce znajduje się najniżej.
Trzeba tak rozplanować instalację, by żaden z elementów na dachu nie zacieniał paneli. Ich łańcuch (szeregowo połączone ze sobą moduły) pracują tak, jak najsłabszy panel. W związku z tym, jeśli jeden z paneli zostanie zacieniony, każdy panel w łańcuchu obniży swoją moc do tej osiąganej przez element zacieniony, dlatego zdarzają się sytuacje, w których lepszą opcją będzie niezamontowanie modułu, niż np. jego montaż przy okresowo zacieniającym go kominie.
Przy dachach, na których jest sporo elementów uniemożliwiających pracę instalacji bez cienia, przydatne mogą być optymalizatory mocy. Trzeba jednak pamiętać, że ich stosowanie zwiększa koszt instalacji oraz przekłada się na więcej łączeń, co podnosi koszty inwestycji, a także zwiększa ryzyko pożarowe.
Pod uwagę należy również wziąć okoliczną niską roślinność, która z czasem może się powiększyć i zacząć rzucać cień. Stanowi ona szczególne zagrożenie dla instalacji montowanych na gruncie. Przed ich instalacją trzeba odpowiednio przygotować teren, m.in. kosząc trawę. Warto również pozbyć się krzewów i małych drzew, które w przyszłości mogą znacznie się rozrosnąć i osłonić moduły PV. W ciągu użytkowania instalacji trzeba pamiętać o regularnym koszeniu trawy i pozbywaniu się chwastów oraz porostów.
W przypadku montażu instalacji na gruncie lub na dachu płaskim trzeba uwzględnić dodatkowy aspekt, jakim jest możliwość wzajemnego zacienienia przez kolejne rzędy modułów instalacji. Im słońce będzie niżej, tym dłuższy cień będzie rzucany przez panel, w związku z tym trzeba prawidłowo rozplanować montaż kolejnych rzędów instalacji. W tym celu konieczne jest określenie kąta padania promieni słonecznych, dla najkrótszego dnia w roku, jakim dla Polski jest 21 grudnia. Wartość tego kąta nie jest taka sama dla całego kraju i w zależności od szerokości geograficznej wyniesie od ok. 11,5 do 19,5°. Przekłada się to na większą minimalną odległość między panelami montowanymi na północy Polski niż na południu.
Prawidłowy dobór odległości opiera się o poniższy wzór:
z/h = sin (180º – (α + β))/sin β
gdzie:
- z – odstęp między rzędami paneli PV,
- h – wysokość paneli PV,
- α – kąt nachylenia paneli PV,
- β – kąt padania promieni słonecznych (pozycja słońca).
W przypadku mniejszych instalacji, aby zaoszczędzić miejsce i uniknąć konieczności zachowania minimalnych odległości, wykonuje się instalacje w formie kilku rzędów paneli ułożonych w jednej płaszczyźnie.
Zabezpieczenia elektryczne
Każda instalacja PV musi być odpowiednio zabezpieczona, aby zapewnić właściwą pracę oraz uzyskać możliwość zwrotu kosztów naprawy instalacji z ubezpieczenia. Przy prądzie stałym niezbędny jest rozłącznik oraz ograniczniki przepięć.
Dobór odpowiedniego rozłącznika nie przysparza wielu problemów, a w zależności od modelu inwertera można nawet czasem pominąć jego instalację. W przypadku ochronników przepięciowych trzeba już uwzględnić miejsce montażu paneli. Jest to niezwykle istotne, ponieważ to zabezpieczenie ma za zadanie ochronić inwerter przed skutkami wyładowań pośrednich lub bezpośrednich i zaniedbanie w tym temacie może poskutkować uszkodzeniem instalacji przy pierwszej większej burzy.
Ograniczniki przepięć wykorzystywane w instalacjach fotowoltaicznych to najczęściej ograniczniki typu T2 lub T1+T2. Typ T2 ma na celu ochronę przed przepięciami indukowanymi i możemy go zastosować w budynku ze standardową dachówką, bez instalacji odgromowej, lub w obiektach, w których jest zachowany minimalny odstęp instalacji PV od instalacji odgromowej.
Odstęp od odgromówki jest kluczowy aby w momencie uderzenia wyładowania atmosferycznego nie powstał łuk elektryczny pomiędzy przewodem uziemiającym, a elementami montażowymi PV. Ogranicznik ten uziemiamy przewodem o średnicy 6 mm2. Typ T1+T2 zapewnia również ochronę przed wyładowaniami bezpośrednimi i stosuje się go wszędzie tam, gdzie odstęp separacyjny nie został zachowany oraz przy dachach pokrytych blachą. W tym przypadku przewód uziemiający musi mieć znacznie większą średnicę wynoszącą 16 mm2.
Montaż w pionie czy w poziomie
Wielu instalatorów zastanawia się, jaki montaż będzie odpowiedni dla danego przypadku, orientacja pionowa czy pozioma modułów PV? Odpowiedź, co będzie lepsze zależy od wielu czynników, ale głównym wyznacznikiem będzie zagospodarowanie przestrzeni na dachu – czasem możliwości ulokowania są bardzo ograniczone.
Inny istotny czynnik wynika z samej konstrukcji paneli, które najczęściej składają się z kilku kolumn szeregowo połączonych ogniw oraz trzech diod by-pass. Diody mają zapewnić przepływ prądu przez panel, przy jego częściowym zacienieniu.
W przypadku trzech diod panel dzielony jest na trzy strefy i przy zacienieniu jednej z nich pozostałe dwie będą nadal pracować. Przyczyni się to do spadku mocy, jednak jest to lepsza sytuacja niż całkowite odcięcie modułu. Przy standardowych konstrukcjach z trzema diodami bocznikującymi i pionowym ustawieniu panelu, zacienienie nawet wąskiego obszaru na górze lub dole modułu spowoduje całkowity brak przepływu prądu. Taka sytuacja będzie miała miejsce np. w zimę, kiedy śnieg zalegający na panelach będzie się topił od góry i przez dłuższy czas dół modułu będzie pokryty śniegiem. W związku z tym pod względem uzysku energii najlepiej byłoby montować panele zawsze w poziomie, jednak przy montażu na dachu i tak najczęściej spotykane są panele w pionie. Wynika to z łatwiejszej (tańszej) procedury montażu, a uzysk energii w miesiącach zimowych i tak nie jest na tyle istotny, by zmiana sposobu montażu przełożyła się na znaczące zwiększenie wyprodukowanej energii.
W przypadku instalacji montowanych na gruncie lub na konstrukcji dachu płaskim montaż paneli w poziomie nie będzie bardziej wymagający od instalacji w pionie, więc taka konfiguracja będzie częściej stosowana.
Przy bardziej zaawansowanych konstrukcjach paneli warto sprawdzić, czy producent nie zaleca konkretnego sposobu montażu. Rodzaj łączenia ogniw w panelu może sprawić, że optymalnym ustawieniem pod względem uzysków energii będzie jednak instalacja w pionie.
Temperatura modułów w zależności od sposobu montażu
Istotnym czynnikiem zewnętrznym wpływającym na pracę modułu jest temperatura. W danych technicznych paneli są wskazane podstawowe parametry, czyli: moc, napięcie oraz natężenie w warunkach STC (ang. Standard Test Conditions). Określenie STC oznacza standardowe warunki testowe, którym podlega każdy panel przed wyjazdem z fabryki. Warunki te są ściśle określone i jednym z parametrów jest temperatura ogniwa wynosząca 25°C.
W praktyce, w ciągu szczytu produkcji energii z instalacji PV (maj–wrzesień), przez stosunkowo wysokie temperatury zewnętrzne oraz bezpośrednie odziaływanie promieni słonecznych na panel, temperatura będzie często przekraczać nawet 60°C. Montaż paneli na gruncie przełoży się jednak na niższą temperaturę modułów w porównaniu z jednostkami zamontowanymi na dachu. Jest to spowodowane większą przestrzenią pod panelem i dokładniejszym owiewaniem modułu przez wiatr.
Spadek średniej temperatury ogniw przełoży się na większą produkcję energii i przykładowo instalacja o mocy 1 kWp zamontowana w takich samych warunkach (region, kąt i orientacja) na gruncie wyprodukuje o ok. 30 kWh/rok więcej energii niż tak samo usytuowana instalacja zamontowana na dachu.
Podsumowanie
Jak widać, wiele wytycznych montażowych różni się w zależności od miejsca instalacji systemu PV. Montaż na dachu nie wymaga wygospodarowania na działce dodatkowego miejsca na instalację, jednak sam proces montowania jest bardziej skomplikowany.
Praca na wysokości oraz możliwość uszkodzenia dachu sprawiają, że wielu instalatorów nie zdecyduje się na wykonanie takiej instalacji. Montaż modułów bezpośrednio na gruncie charakteryzuje się większą swobodą – panele mogą być montowane w pionie lub poziomie oraz pod praktycznie dowolnym kątem.
Jak w przypadku każdej instalacji konieczna jest wstępna analiza, jakie rozwiązanie będzie w danej sytuacji optymalne. Najważniejszą kwestią powinno być zawsze bezpieczeństwo pracy systemu, a w dalszej kolejności korzyści ekonomiczne i czas zwrotu inwestycji.
Listen on Spreaker.
