Podstawy doboru i wykonania instalacji fotowoltaicznej (cz. I)

Warunkiem prawidłowej i bezpiecznej pracy instalacji fotowoltaicznej jest odpowiedni dobór urządzeń, osprzętu i montaż przez wykwalifikowanych instalatorów. Mówimy nie tylko o właściwym rozmieszczeniu modułów fotowoltaicznych ale również o zabezpieczeniu odgromowym i przeciwpożarowym całej instalacji. Dlatego w poniższym wpisie zebrałem najważniejsze informacje związane z projektowaniem i wykonaniem takiej instalacji.

Usytuowanie paneli fotowoltaicznych

Decyzję o wykonaniu instalacji fotowoltaicznej warto podjąć na etapie projektowania budynku. Możemy wtedy określić, czy warunki terenowe będą korzystne dla usytuowania paneli fotowoltaicznych. Najkorzystniejsze warunki otrzymujemy przy skierowaniu paneli na południe i pochyleniu ich pod kątem 30-40° do poziomu – im większa odchyłka od tej pozycji, tym mniejszy uzysk energii elektrycznej.

Przy ustawieniu paneli w kierunku południowo-wschodnim lub południowo-zachodnim i pochyleniu w granicach 25-55° uzysk energii wciąż jest zadowalający – stanowi 90-95% maksymalnego. Jeżeli panele są skierowane na wschód albo zachód, to w zakresie nachylenia od 25 do 40° otrzymuje się 80-90% energii możliwej do pozyskania przy ustawieniu optymalnym.

Zdarzają się przypadki, że ekspozycja dachu nie będzie korzystna dla montażu paneli fotowoltaicznych, np. dach skierowany całkowicie na wschód i zachód. wówczas instalacja fotowoltaiczna ma rację bytu, o ile będzie przewymiarowana (aby wyprodukowała podobną ilość energii elektrycznej, co instalacja wykonana na połaci południowej). W tego typu sytuacjach brać pod uwagę to, jak bardzo przewymiarowanie wpływa na opłacalność inwestycji.

Rys. 1. Rozmieszczenie modułów fotowoltaicznych na rzucie dachu

Zacienienie paneli i jego skutki

Każdy projekt instalacji fotowoltaicznej powinien być wykonany w oparciu o rzut dachu oraz więźby dachowej, jeśli mamy do czynienia z budynkiem projektowanym – taką dokumentację projektową otrzymamy od architekta obiektu. Jeśli mamy natomiast do czynienia z budynkiem istniejącym, konieczna będzie wcześniejsza wizja lokalna wraz z inwentaryzacją dachu. Jest to ważne, ponieważ dach na którym zostanie zamontowana instalacja, nie może być narażony na zacienienie przez występujące na działce drzewa, sąsiednie budynki bądź elementy infrastruktury technicznej (słupy telefoniczne, anteny etc.).

Zdj. 1. Przykład poprawnego montażu modułów na dachu

Zacienienie prowadzi do obniżenia sprawności modułu fotowoltaicznego, dlatego producenci stosują rozwiązania minimalizujące takie skutki. W panelach występują diody bocznikujące tzw. by-passy, które wyłączają zasłonięte ogniwa, by nie zakłócały działania pozostałych. Wówczas prąd przepływa przez diodę zamiast przez pas połączonych ogniw. Taka budowa sprawia, że zacienienie fragmentów nawet wszystkich ogniw powoduje jedynie częściowy spadek mocy modułu. Ale jeżeli któreś ogniwo znajduje się w całości w cieniu i nie pracuje – cały panel jest wyłączony przez diodę.

Na etapie sporządzania projektu instalacji fotowoltaicznej można wykonać wizualizację, która zobrazuje posadowienie na dachu budynku. Graficzne rysowanie paneli jest szczególnie pomocne w przypadku, gdzie mamy do czynienia ze skomplikowanym układem połaci dachowej lub potrzebujemy wykonać analizę zacienienia np. gdy na działce znajdują się drzewa. Dzięki takiej analizie uzyskamy informacje, ile energii elektrycznej wyprodukują moduły fotowoltaiczne oraz czy z tytułu zacienienia konieczne będzie rozdzielenie instalacji na dwa odrębne ogniwa z wbudowanymi MPP trackerami.

Rys. 2. Projektowanie 3D – symulacja posadowienia instalacji fotowoltaicznej

Moc instalacji fotowoltaicznej

Dobierając liczbę modułów fotowoltaicznych, warto oszacować przewidywane roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną. Jeśli mamy do czynienia z projektowanym budynkiem mieszkalnym, możemy przyjąć wielkość zużycia energii na podstawie wielkości gospodarstwa domowego, ilości urządzeń energochłonnych. W czteroosobowych gospodarstwach domowych przeciętne zużycie prądu waha się w przedziale 2100-2500 kWh rocznie. Dane te potwierdzają badania statystyczne opracowane przez Główny Urząd Statystyczny.

Jeśli dążymy do pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną, pobieraną przez sprzęty gospodarstwa domowego – warto postawić na instalację fotowoltaiczną o mocy 3,0-3,5 kWp. Dla założonej mocy szczytowej 300 Wp, będzie to zestaw złożony z 10-12 paneli fotowoltaicznej – panele na połaci dachowej. Jeśli mamy do czynienia z budynkiem, gdzie dominującym źródłem ciepła będzie pompa ciepła, maty czy grzejniki elektryczne – należy uwzględnić większe zużycie energii. Szacowane dodatkowe nakłady eksploatacyjne wyniosą kolejne 2000-4000 kWh za sezon grzewczy (w zależności od projektowego obciążenia cieplnego budynku). W tym rozwiązaniu sumaryczna moc instalacji fotowoltaicznej powinna wynosić 4,0-6,0 kWp. W praktyce, powierzchnia południowej połaci dachowej na budynkach mieszkalnych uniemożliwia rozplanowanie tak dużej liczby paneli fotowoltaicznych – ok. 20 szt.

Zwróćmy jednak uwagę, iż są to wartości orientacyjne – rzeczywiste zużycie energii może nam podać charakterystyka energetyczna tzn. wskaźnik energii końcowej na cele ogrzewania i wentylacji. Sporządza ją projektant branżowy na etapie np. zgłaszania projektu budowlanego na pozwolenie na budowę.

Rys. 3. Projektowanie 3D – analiza zacienienia modułów fotowoltaicznych

Ochrona i zabezpieczenia odgromowe

Piorun, oprócz bezpośrednich szkód przy uderzeniu – generuje przepięcia które wpływa na stan sieci elektroenergetycznych, telekomunikacyjnych i urządzeń elektronicznych znajdujących się w pobliżu. Szczególnie instalacje fotowoltaiczne są narażone na przepięcia ze względu na ich zewnętrzne położenie oraz wewnętrzną budowę. Panele fotowoltaiczne to układy półprzewodnikowe, inwertery z kolei zawierają wiele elementów elektronicznych – dlatego z godnie z normami należy go chronić przy pomocy ograniczników przepięć.

Zdj. 2. Przykład poprawnego montażu modułów na dachu

Każdy producent modułów fotowoltaicznych powinien podać wytrzymałość swoich urządzeń na przepięcia, jeśli nie możemy znaleźć takich informacji – to zakładamy zgodność tych urządzeń z normami. Jeżeli zostały zachowane właściwe odległości między instalacją odgromową a fotowoltaiczną, to możemy wówczas po stronie DC jako minimum zastosować ograniczniki przepięć typu II (C). Podobnie w sytuacji, gdy nie ma instalacji odgromowej – możemy zastosować ogranicznik przepięć typu II (C). Ograniczniki przepięć typu II pozwalają ograniczyć przepięcia w obwodzie o napięciu maksymalnym do 1000 V przy maksymalnym prądzie wyładowczym 40 kA. Jeżeli w budynku jest instalacja odgromowa, to zawsze w rozdzielni elektrycznej AC musi zostać zastosowany ogranicznik przepięć typu 1+2.

Ważnym zagadnieniem jest miejsce usytuowania ogranicznika przepięć – powinien on znajdować się w pobliżu modułów fotowoltaicznych oraz falownika. Jeżeli długość przewodu pomiędzy modułami fotowoltaicznymi a falownikiem nie przekracza 10 metrów – wówczas należy zainstalować jeden ogranicznik przepięć w każdym łańcuchu, jak najbliżej urządzenia. Natomiast, jeśli długość przekracza 10 metrów, to przy modułach fotowoltaicznych instalujemy jeden ogranicznik typu 1+2 oraz drugi ogranicznik, zwykle tego samego typu.

Należy pamiętać o często pomijanej kwestii, mianowicie o zainstalowaniu ograniczników przepięć po stronie AC falownika – chroniące przed przepięciami łączeniowymi lub skutkami uderzeń pioruna od strony np. napowietrznych przewodów nN.

Rys. 4. Przykład właściwego zainstalowania ogranicznika przepięć

Jako środek ochrony przeciwporażeniowej powinno być realizowane przez wyłącznik różnicowoprądowy o prądzie znamionowym zadziałania 30 mA, w rozdzielni głównej budynku. W przypadku jego braku – wszelkie elementy przewodzące instalacji PC zaleca się połączyć przewodami wyrównawczymi ochronnymi.

Jako dodatkowa opcję chroniącą przed bezpośrednimi wyładowaniami atmosferycznymi można zastosować instalację odgromową – o ile nie jest ona zainstalowana w budynku. W przypadku, gdy zachowanie bezpiecznych odległości od przewodów instalacji odgromowej w odniesieniu do instalacji fotowoltaicznej nie jest możliwe (np. bliskie posadowienie paneli w odniesieniu do instalacji odgromowej) – zaleca się metalowe elementy konstrukcji instalacji PV podłączyć do instalacji odgromowej i zastosować ograniczniki przepięć typu I+II na przewodach DC+.

W przypadku wykonania takiej ochrony, panele powinny być chronione zwodami pionowymi prowadzonymi po szczycie dachu, zwodami pionowymi, przewodami odprowadzającymi. Połączenia wyrównawcze należy prowadzić równolegle blisko linii DC i AC aby uniknąć tworzenia pętli indukcyjnych, wywołujących duże przepięcia indukowane.

Zdj. 3. Przykładowy ogranicznik przepięć typ 2 z dwoma warystorami

Ochrona przeciwpożarowa instalacji

Ochrona przeciwpożarowa każdej instalacji fotowoltaicznej powinna być zapewniona przez natychmiastowe wyłączenie zasilania, które będzie realizowane przez wyłącznik główny zlokalizowany w skrzynce przyłączeniowej lub w skrzynce RPV. Odłączenie zasilania z sieci spowoduje wyłączenie falownika z uwagi na brak możliwości synchronizacji urządzenia z siecią. Ponadto przewody elektryczne stałoprądowe powinny być prowadzone w sposób, uniemożliwiający powstanie przypadkowego zwarcia.

Warto również wykonać dodatkowy rozłącznik DC – to urządzenie zapewnia, że falownik zostanie odłączony od modułów w razie awarii. W miejscu montażu falownika powinien znajdować się schemat podłączenia instalacji do sieci. Lokalizacja wyłącznika po stronie AC oraz DC i procedura awaryjnego wyłączenia instalacji. Pamiętajmy również, aby wszystkie komponenty instalacji fotowoltaicznych powinny posiadać wymagane certyfikaty i dopuszczenia.

Zdj. 4. Przykład poprawnego montażu modułów na dachu

Powyższy wpis powstał przy współpracy z firmą SOLSUM – najlepszy prąd pod słońcem, zajmującą się projektowaniem i montażem instalacji fotowoltaicznych oraz magazynów energii.

Powołania:

[1] https://www.gov.pl/web/energia/badania-statystyczne

Zdjęcie główne: www.stock.adobe.com/pl/

Rysunki we wpisie: zbiory autora

Zdjęcie ogranicznika przepięć: www.rynekelektryczny.pl

Zdjęcia przykładów poprawnego montażu modułów na dachu: www.solsum.pl

Napisz komentarz
2

Dodaj komentarz

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