Fotowoltaika to dziedzina energetyki słonecznej.

Transkrypt

1 Fotowoltaika to dziedzina energetyki słonecznej. Pierwsze zjawisko fotowoltaiczne zostało zaobserwowane w 1839r. przez Henri ego Becquerela. Zauważył on występowanie potencjału elektrycznego na naświetlanej elektrodzie zanurzonej w elektrolicie. Zjawisko to przez wiele lat pozostało niewytłumaczone. Dopiero Albert Einstein w 1905 roku. Opisał powstawanie efektu fotoelektrycznego, za co otrzymał Nagrodę Nobla. Pierwsze ogniwo fotowoltaiczne o sprawności około 6% zostało skonstruowane w 1954 roku w Bell Laboratories w Stanach Zjednoczonych. Oparte było ono na krzemowym złączu. Od tego momentu na wiele lat rozwój fotowoltaiki był związany głównie z odkrywaniem kosmosu, budowaniem satelitów i statków kosmicznych Wprowadzenie W Polsce w ciągu roku moc promieniowania słonecznego na jeden metr kwadratowy wynosi średnio 1000 kwh i odpowiada energii zawartej w 100L oleju opałowego lub 100m3 gazu ziemnego. Dla porównania 1000kWh to roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną przez jednoosobowe gospodarstwo domowe (singiel), rodzina 4 osobowa (2+2) zużywa rocznie około kwh (roczna konsumpcja energii elektrycznej, nie uwzględniająca ogrzewania). Roczny uzysk energii z instalacji 5 kwp to około 4700 kwh, co przewyższa prawie o 50% całkowite zapotrzebowanie na energię dla przeciętnej czteroosobowej rodziny. Dla porównania, z 1 kwp instalacji fotowoltaicznej w okresie zimowym moglibyśmy zasilić lodówkę (ok. 24,7 kwh/miesiąc) oraz 2 żarówki o mocy 100 W każda, a w maju wyprodukowanej energii wystarczyłoby na lodówkę, czajnik, telewizor, pralkę i oświetlenie domu. Jednym z najważniejszych parametrów modułu jest jego moc. Moc urządzenia elektrycznego określa, ile energii jest to urządzenie w stanie pobrać/oddać w określonej jednostce czasu. Jest to stosunek energii do czasu. W przypadku paneli, parametr ten nie jest stały ponieważ silnie zależy o warunków pracy-przede wszystkim od natężenia promieniowanie słonecznego padającego na moduł oraz od kąta pod jakim to promieniowanie pada (od tego jak słońce mocno świeci czy moduł jest skierowany do słońca). Wpływ ma także temperatura. Oznacza to, że modułu fotowoltaiczne pracują z mniejszą efektywnością w dni chłodniejsze i pochmurne, a także o wschodzie i zachodzie słońca. (Energia wyprodukowana w grudniu i styczniu to około 5% całkowitej energii wyprodukowanej w ciągu roku).

2 Z tego powodu została wprowadzona jednostka Watt Peak dot. mocy szczytowej, ten parametr oznacza wartość natężenia słonecznego wynoszącego w temperaturze 25 stopni. 1000W/m2 w warunkach testowych tj. W ofercie są panele 50Wat, 130Wat, 200Wat i inne. Przyjmując, że chcemy 4szt. paneli 200Wat uzyskujemy elektrownię o mocy 800Wp = 0.8kWp. Tabela 1. Roczna produkcja prądu w okolicach Katowic. Miesiąc Produkcja energii w KWh 1 kwp 5 Kwp 10Kwp 50Kwp Styczeń Luty 44, Marzec Kwiecień Maj 115, Czerwiec 111, Lipiec 111, Sierpień 110, Wrzesień 85, Październik 59, Listopad 35, Grudzień Rocznie Źrodło: Kalkulator na stronie re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/app4/pvest/php na dzień 14 sierpnia 2013r. Powyższa tabelka nr 1 przedstawia szacunkową, roczną produkcję energii w skali roku. Warto zaznaczyć, że w projektach ustawy, proponuje się 1,10 zł za 1 kwh.

3 Wprowadzenie ustawy o OZE tj. Odnawialnych Źródłach Energii umożliwi odsprzedaż prądu. W ustawie będzie zapis dotyczący stałej stawki za wyprodukowaną kilowatogodzinę dla małych i mikroinstalacji. Kalkulator, który znajduje się pod poniższym linkiem pozwoli oszacować roczne przychody, jakie może generować instalacja: Montując i przyłączając do sieci instalację zostanie nam zamontowany dwukierunkowy licznik energii, co oznacza, że zapłatę za sprzedaż energii zostanie skalkulowana na podstawie różnicy między energii wyprodukowaną i zużytą. Obecnie stała stawka za kwh nie została ustalana, ma ona jednak wynosić około 1,1 złotych za kwh. Panele dostarczają energię elektryczną, jednak nie podłącza się ich bezpośrednio do innych urządzeń elektrycznych z kilku powodów: - większość urządzeń jest zasilana napięciem przemiennym, a napięcie na zaciskach modułów jest stałe. -energia jaką można pobierać z modułu moc nie jest stała, a większość urządzeń elektrycznych potrzebuje stałego źródła prądu. Dlatego, oprócz samych paneli potrzebne są elektroniczne urządzenia sterujące, przetwarzające i buforujące (nie zawsze). Urządzenia te wraz z modułami tworzą system fotowoltaiczny. 1. Działanie i podstawowe elementy instalacji fotowoltaicznej. W skład instalacji fotowoltaicznej, zwanej też systemem fotowoltaicznym, prócz samych paneli PV, wchodzi szereg urządzeń pomocniczych. Pierwszym są akcesoria montażowe, ich dobór zależy od tego, czy zdecydujemy się na wysyłanie energii do sieci, jeżeli tak, wtedy nasza instalacja będzie instalację typu on grid, a jeżeli prąd będzie konsumowany we własnym zakresie to będziemy mieli do czynienia z instalacją off grid. Tabela 2 przedstawia opis i różnice pomiędzy obiema instalacjami.

4 Tabela 2. Opis instalacji typu off-grid i on-grid. Instalacje off grid Instalacje "off grid" inaczej zwane "wyspowe" nie wymagają podłączenia do sieci elektroenergetycznej w ich skład wchodzą: Instalacje on grid Instalacja fotowoltaiczna on grid to instalacja, którą podłączamy do sieci elektroenergetycznej, a składa się ona z takich elementów jak: -regulator ładowania : pracujący po stronie wtórnej przy napięciu stałym 12 lub 24V, -inwerter (przetwornica) off grid : na wejściu podaje się napięcie stałe 12 lub 24 V, a na wyjściu otrzymujemy napięcie zmienne, -generator fotowoltaiczny : połączony między sobą szeregowo lub równolegle układ modułów fotowoltaicznych, -baterie akumulatorów do kumulacji nadprodukowanego prądu, -elementy zabezpieczające : zabezpieczenia nadnapięciowe i nad prądowe oraz wyłącznik ppoż. po stronie napięcia stałego i zmiennego -instalacja odgromowa, -elementy dodatkowe : system monitoringu oraz nadzór nad prawidłową instalacją. Jeśli będziemy w stanie wykorzystać w całości wytworzoną energię elektryczną bez konieczności jej magazynowania wtedy możemy zrezygnować z baterii akumulatorów. Natomiast w przypadku magazynowania energii elektrycznej musimy się liczyć z możliwością znacznych strat energii elektryczne,które mogą sięgać nawet 30% wielkości wytworzonej energii. Konieczność stosowania akumulatorów w istotny sposób wpływa na koszt instalacji. Baterie akumulatorów stanowią średnio 20% całkowitych kosztów instalacji OFF-GRID. Ich żywotność oceniania jest na 5-8 lat, dla porównania żywotność instalacji jest oceniania na około 15 lat. - generator fotowoltaiczny "on grid"- podłączony ze sobą szeregowo lub równolegle układ modułów fotowoltaicznych, - inwerter (przetwornica) "on grid",który dopasowuje się do napięcia sieciowego (amplituda napięcia i faza), - licznik wyprodukowanej energii elektrycznej (warunki powinny być uzgodnione z zakładem energetycznym), - licznik zużytej energii elektrycznej, - elementów zabezpieczających (wyłącznik ppoż. po stronie DC i AC, zabezpieczenia nadprądowe i nadnapięciowe), - elementy dodatkowe takie jak nadzór podczas instalacji oraz system monitoringu, - wykonanie instalacji odgromowej.

5 Ponadto, jeśli po stronie wtórnej będzie pracowała instalacja fotowoltaiczna przy napięciu różnym od napięcia sieci, konieczne będzie zastosowanie niezależnego transformatora lub inwertera. Musimy wiedzieć również, że z wydanych przez zakład energetyczny warunków przyłączenia do sieci mogą wynikać również inne wymagania w zakresie opomiarowania oraz wyposażenia dodatkowego. Działanie instalacji fotowolataicznej Ze względu na to, iż większość planowanych inwestycji będzie miała na celu odsprzedaż wyprodukowanego prądu, poniżej więcej uwagi poświęcono instalacją typu on grid. Małe elektrownie fotowoltaiczne, zwykle do 10 kwp, można zainstalować na dachu budynków mieszkalnych lub gospodarczych. Większe instalacje, z racji zajmowanej powierzchni, będą musiały być instalowane bezpośrednio na gruncie (instalacje wolnostojące). Na wyjściu z paneli PV odbierany jest prąd stały o parametrach zależnych od warunków nasłonecznienia w danej chwili. Poprzez kontroler ładowania można naładować więc akumulatory i zasilić urządzenia prądu stałego (DC). W przypadku chęci zasilenia urządzeń prądu przemiennego (AC) niezbędne okaże się kupno inwertera sieciowego. Ponadto elektrownia słoneczna będzie wymagała specjalnego kabla solarnego przewodu transmitującego energię elektryczną, odpornego na warunki atmosferyczne, w szczególności wysoką temperaturę, a także na promieniowanie UV. Wszystkie wyżej wymienione elementy połączone ze sobą w odpowiedniej konfiguracji tworzyć będą instalację fotowoltaiczną. Jednak o typie instalacji decyduje końcowy sposób wykorzystania energii elektrycznej wyprodukowanej z paneli PV. Na rysunku 1. przedstawiono schemat instalacji ON--GRID w wersji podstawowej.

6 Rys.1 Schemat instalacji fotowoltaicznej typu on-grid. Źródło: (red.) Wiśniewski G. : Małoskalowe odnawialne źródła energii i mikroinstalacje, Instytut Energii Odnawialnej, Warszawa 2012, str. 25 Rynek instalacji fotowoltaicznych w Polsce Panele fotowoltaiczne z ogniw polikrystalicznych są obecnie najbardziej popularne na rynku. Ich sprawność wynosi 12-14%. W wyglądzie zewnętrznym można wyraźnie dostrzec tworzące panel kryształy krzemu. Panele fotowoltaiczne z ogniw monokrystalicznych każde ogniwo wykonane jest z pojedynczego kryształu krzemu. Cechują się wyższą sprawnością niż panele polikrystaliczne: 14-16%. Wyższa jest jednak też cena za jednostkę mocy niż w przypadku paneli polikrystalicznych. Panele fotowoltaiczne z krzemu amorficznego: osadza się cienkie warstwy krzemu na szkle. Jest to najoszczędniejszy sposób produkcji paneli PV, co za tym idzie, najkorzystniejsza jest relacja ceny za jednostkę mocy. Cechują się jednak stosunkowo niewielka sprawnością: 6-8%. Panele fotowoltaiczne z tellurku kadmu. Podobnie jak w panelach PV amorficznych, nakłada się cienką warstwę półprzewodnika (tutaj tellurku kadmu) na taflę szklaną. Są one znacznie tańsze niż panele wykonane z krzemu. Ich sprawność jest rzędu 11%. Najwięcej paneli na polskim rynku stanowią urządzenia produkcji chińskiej (28%), niemieckiej (24%), kanadyjskiej (17%) i japońskiej (9%). Z równie bogatą ofertą można się spotkać planując zakup urządzeń pomocniczych.

7 Mnogość akumulatorów i kontrolerów ładowania oraz inwerterów (zarówno wyspowych, jak i sieciowych, jedno- i trójfazowych) pozwala na dobór odpowiednich urządzeń dopasowanych do wielkości instalacji fotowoltaicznej, jak i preferencji klienta. Warto też wspomnieć o bogatym wyborze akcesoriów montażowych, dostosowanych do różnych typów pokryć dachowych oraz zestawów służących do zainstalowania elektrowni PV wolnostojących. Dostępne są też systemy śledzące ( trackery ). Na bieżąco analizują położenie słońca i obracają stelaż z panelami PV tak, by jak najefektywniej wykorzystać energię słoneczną. Średnia jednostkowa cena brutto paneli fotowoltaicznych (za 1 Wp) waha się między 7,6 zł a 21 zł. Głównym czynnik wpływający na cenę panelu jest jego sprawność Poniżej w tabeli 3 przedstawiamy omówienie parametrów panelu. Budowa i utrzymanie instalacji fotowoltaicznych Do instalacji systemu PV idealnie nadają się dachy skierowane w stronę południową, ale można również wykorzystać takie które są skierowane w kierunku południowo-wschodnim, bądź też południowo-zachodnim. Na płaskim dachu panele fotowoltaiczne instalowane są na specjalnych stelażach. Należy zwrócić uwagę iż moduły podczas swojej pracy nie powinny być w żadnym zakresie zacienione w wyniku przesłonięć, które powodują kominy, drzewa lub anteny satelitarne. Optymalne ustawienie to pochylenie paneli fotowoltaicznych stopni na południe. Każde odchylenie od kierunku południowego praz pochylenie poza wskazany zakres będzie skutkowało spadkiem produkowanej rocznie energii. Ile powierzchni potrzebna? Wymiar 1 panelu to około 1,67 m2, co w praktyce oznacza, że na zainstalowanie mikroinstalacji o mocy 10kWp, będzie potrzebna powierzchnia około 65 m2. Producenci ogniw fotowoltaicznych obecnie oferują gwarancję o długości od 10 do 25 lat. Średnia żywotność panelu to około lat. Generalnie elektrownia fotowoltaiczna nie potrzebuje znaczących usług konserwujących, a awarię zdarzają się bardzo rzadko. Inwertery mogą wymagać wymiany po latach (z przyczyn ich naturalnego zużycia).

8 Tabela 3. Opis parametrów paneli PV. Maximum power (Pmax) Tolerance Maximum Power Voltage (Vmp) Maximum Power Current (Imp) Open Circuit Voltage (Voc) Short Circuit Current (Isc) Module Efficiency Solar Cell Efficiency Moc maksymalna Tolerancja wydajności Napięcie mocy maksymalnej Natężenie prądu mocy maksymalnej Napięcie jałowe Prąd zwarciowy Sprawność panelu Sprawność pojedynczego ogniwa Wartość ta podaje maksymalną moc osiągalną przez fotoogniwo. Taka moc jest dostępna w standardowych warunkach testu (STC - moc promieniowania słonecznego 1000W/m 2, gęstość spektrum AM 1,5, temperatura ogniwa 25 o C). Producent zastrzega sobie, że o tyle może różnić się faktyczna wartość mocy maksymalnej Jest to napięcie osiągalne w momencie, gdy panel będzie pracował z mocą maksymalną. Jest to natężenie prądu osiągalne, gdy panel pracuje z mocą maksymalną. Czyli napięcie osiągalne w sytuacji, kiedy moduł nie jest podłączony do żadnego obciążenia. Natężenie prądu płynącego przy zwarciu ogniwa (czyli w chwili maksymalnego obciążenia) Jest to procent energii słonecznej, jaką panel jest w stanie przetworzyć na energię elektryczną. Zakładamy, że na powierzchnię modułu pada 100W energii ze słońca. Panel ma sprawność 12,8% czyli będzie w tym momencie produkował 12,8Wat. Sprawność całego modułu oczywiście jest niższa niż pojedynczego ogniwa. Wynika to z tego, że nie cała powierzchnia modułu przekształca energię słoneczną na elektryczną. Na sprawność całego modułu ma również wpływ sposób łączenia ogniw. Jest to sprawność, jaką ma pojedyncze ogniwo wchodzące w skład modułu. Maximum system voltage Maksymalne napięcie systemu Wartość ta oznacza maksymalne napięcie, z jakim mogą pracować połączone szeregowo panele.

9 Elektrownie fotowoltaiczne praktycznie nie wymagają obsługi czy konserwacji. Naturalne czyszczenie zapewniają deszcz i śnieg (w przypadku pochylonych paneli). Jednakże należy sprawdzać instalacje okresowo, aby usunąć pojawiąjące się zabrudzenia na przykład ptasie odchody, liście. Obecnie nie zostały wprowadzone jednoznaczne przepisy prawne, jednak planując budowę trzeba wziąć pod uwagę następujące kwestie: -dopuszczalna obciążalność mechaniczna obiektu na, którym będziemy montować, w tym obciążenie statyczne wynikające z ciężaru konstrukcji generatora fotowoltaicznego oraz śniegu i lodu jak i obciążeń generowanych przez wiatr. -pozwolenie na budowę (stan na dzień 20 sierpnia 2013 r., możliwe jest, że nowe przepisy złagodzą zasady budowy instalacji, szczególnie małych). Obecnie, zgodnie z interpretacją Głównego Urzędu Nadzoru Budowlanego, pozwolenie nie jest potrzebne, jeżeli prąd będzie zużywany na własne potrzeby, a instalacje powstaje na dachu budynku lub jako urządzenie wolnostojące ( o ile ich wysokość nie przekracza 3m). Pozwolenie jest potrzebne, jeżeli prąd będzie odsprzedany, lokalizacja budowy nie jest ważna, zawsze będzie potrzebne pozwolenie na budowę oraz i niektórych przypadkach zmiana zagospodarowania przestrzennego i/lub zmiana zagospodarowania obiektu -założenie działalności gospodarczej w przypadku odsprzedaży prądu w projektach ustaw jest prezentowany zapis, iż instalacje do 40 kwp tzw. mikro instalacje nie będą wymagały założenia działalności gospodarczej. - warunki przyłączeniowe - w celu odsprzedaży energii, należy otrzymać szczegółowe warunki (zasady) odbioru energii przez dystrybutora np. na terenie Gminy Pawłowice jest to Tauron. W zależności od wielkości instalacji, będzie wymagane podłączenie do sieci niskiego lub średniego napięcia. Koszty podłączenie będą się wahać i zależeć od wielkości instalacji, najprawdopodobniej dla mikroinstalacji i małych instalacji przyłączenie do sieci będzie bezpłatne. Mimo, że energetyka będzie miała obowiązek podłączenia każdej instalacji OZE (OZE=Odnawialne Źródła Energii) to jednak dana linia może nie mieć żadnych wolnych mocy, a rozbudowa linia może nie być uzasadniona ekonomicznie. Z tego względu nie zawsze mając słup na działce możliwe będzie przyłączenie instalacji, a finalnym potwierdzeniem możliwości przyłączenia jest uzyskanie warunków przyłączeni i wniesienie zaliczki. Warunki przyłączenie wydawane są przez dystrybutora w ciągu 150 dni po złożeniu wniosku wraz z projektem umowy o przyłączenie do siebie i są ważne 2 lata. - koncesja - najprawomocniej dla mikroinstalacji (do 40 kwp) i małych instalacji (do 100 kwp) nie będzie wymagana.

10 Dla instalacji powyżej 100 kwp będzie wymagana koncesja. Posiadając tytuł prawny do gruntu i warunki przyłączenia należy rozpocząć starania o uzyskania koncesji na wytwarzania energii ze źródła odnawialnego. Koncesje wydaje Prezes Urzędu Regulacji Energetyki. Na tym etapie należy złożyć wniosek wraz z 21 załącznikami dokonać stosownej opłaty i czekać na wydanie promesy, czyli przyrzecznie wydania koncesji. Ten etap, choć wydaje się trudny nie jest skomplikowany. Uzyskanie koncesji od prezesa URE, upoważnia do rejestracji na Towarowej giełdzie energii (TGE) w celu obrotu zielonymi certyfikatami i uruchomienie oraz odbiór elektrowni przez energetykę.