Centrum Technologii Energetycznych Świdnica 26-11-2015 Systemy fotowoltaiczne stosowane w instalacjach prosumenckich rodzaje, komponenty, przegląd rozwiązań zagranicznych i krajowych Dr inż. Tadeusz Żdanowicz tadeusz.zdanowicz@pwr.edu.pl tel. 71-3204995
Spis treści Zastosowanie systemów PV Typy i konfiguracja systemów fotowoltaicznych (PV) Zasoby energii słonecznej Koncepcje systemów PV (zarządzanie energią) Podstawowe elementy składowe systemów PV - moduły PV - falowniki - elementy montażowe - okablowanie, złącza - elementy zabezpieczające (nadprądowe, przeciwprzepięciowe, odgromowe) - akumulatory
Zastosowanie systemów PV prosument On-grid Małe rezyden. < 2 kw Crystalline modules Off-grid Średn. rezyden. 2 kw to 30 kw Thin film Backup Komercyjne 30 kw to 500 kw Przemysłowe To > 1 MW Concentrator modules > Każdy z segmentów rynku ma inne wymagania dotyczące produktów Źródło: SMA
Systemy fotowoltaiczne (PV) Systemy autonomiczne (off-grid) 1 6 2 4 5 3 Źródło: SMA TechnologyCompendium2 1. Generator fotowoltaiczny 2. Regulator ładowania 3. Bank akumulatorów 4. Autonomiczny falownik 5. Odbiorniki stałoprądowe 6. Odbiorniki zmiennoprądowe
Systemy fotowoltaiczne (PV) Podłączone do sieci (on-grid) 1 Źródło: SMA SYSTEM SOLUTIONS 2 3 4 1. Generator fotowoltaiczny 2. Jednofazowy falownik sieciowy z regulacją mocy 3. Urządzenia sterujące i komunikacyjne 4. Publiczna sieć elektroenergetyczna DC AC Magistrala komunikacyjna
Systemy fotowoltaiczne (PV) Podłączone do sieci (on-grid) Źródło: J. Teneta, AGH
Systemy fotowoltaiczne (PV) Podłączone do sieci jednofazowej (on-grid) 1 1 1 Źródło: SMA SYSTEM SOLUTIONS 2 2 2 3 4 1. Generator fotowoltaiczny 2. Jednofazowy falownik sieciowy 3. Urządzenia sterujące i komunikacyjne 4. Publiczna sieć elektroenergetyczna 5. Wyłącznik (zdalnie sterowany) DC AC Magistrala komunikacyjna
Systemy fotowoltaiczne (PV) Podłączone do sieci trójfazowej (on-grid) 1 1 1 Źródło: SMA SYSTEM SOLUTIONS 2 2 2 3 4 1. Generator fotowoltaiczny 2. Trójfazowy falownik sieciowy z regulacją mocy 3. Urządzenia sterujące / komunikacyjne 4. Publiczna sieć elektroenergetyczna DC AC Magistrala komunikacyjna
Zasoby energii słonecznej Europa
Zasoby energii słonecznej Polska
OSZACOWANIE UZYSKU ENERGETYCZNEGO 1-kWp (c-si) systemu fotowoltaicznego w Polsce Miasto Roczna produkcja energii [kwh/kw] Min. Średnia Max. Roczne nasłonecznie (na 30 ) Różnica [kwh/kw] Białystok 913 1033 1132 1272-12 Bydgoszcz 950 998 1096 1237-47 Gdańsk 950 1031 1132 1263-14 Katowice 950 1031 1169 1269-14 Kielce 986 1059 1169 1299 14 Koszalin 913 1019 1132 1255-26 Kraków 986 1055 1169 1302 10 Lublin 1023 1084 1205 1337 39 Olsztyn 913 1010 1132 1246-35 Poznań 950 1025 1132 1267-20 Rzeszów 1023 1096 1242 1351 51 Szczecin 913 986 1132 1230-59 Warszawa 950 1035 1132 1275-10 Wrocław 950 1049 1169 1304 4 Zielona Góra 913 1010 1132 1247-35 Średnia z 60 lokalizacji 959 1045 1171 1279
Zakłądając, że czteroosobowa rodzina rocznie zużywa około 3500 kwh energii elektrycznej to na pokrycie tej ilości energii rocznie potrzeba ~23-25 m 2 modułów PV (przy założeniu sprawności modułów ~14-15%)
Koncepcje systemów Schemat blokowy systemu PV przyłączonego do sieci jednofazowej; cała energia oddawana do sieci
Koncepcje systemów PV System PV dostarczający energię elektryczną bezpośrednio do sieci 1 3 2 4 5 1 photovoltaic generaotor 2 house connection box 3 DC cabling 4 inverter 5 meters instalacja elektryczna budynku generator PV falownik energia oddana do sieci energia pobrana z sieci sieć energetyczna (Źródło: ISE-FhG, Freiburg, Niemcy)
Koncepcje systemów PV Schemat blokowy systemu PV przyłączonego do sieci jednofazowej; najpierw samokonsumpcja, nadwyżka energii oddawana do sieci
System PV dostarczający energię elektryczną pośrednio do sieci: Najpierw do instalacji elektrycznej budynku, a nadwyżkę do sieci Koncepcje systemów PV 2 1 3 4 Example 1 solar meter 100 kwh 2 total consumption 1000 kwh 3 consumption meter 910 kwh 4 delivery meter 10 kwh instalacja elektryczna domu generator PV falownik licznik energii oddanej do sieci licznik energii pobranej z sieci sieć energetyczna (Źródło: ISE-FhG, Freiburg, Niemcy)
Koncepcje systemów PV Schemat blokowy systemu PV przyłączonego do sieci trójfazowej; cała energia do sieci
Koncepcje systemów PV Schemat blokowy systemu PV przyłączonego do sieci trójfazowej; najpierw samokonsumpcja, a nadwyżka energii oddawana do sieci
Koncepcje systemów PV Schemat blokowy systemu PV przyłączonego do sieci jednofazowej; najpierw samokonsumpcja, w drugiej kolejności ładowanie akumulatorów a nadwyżka energii oddawana do sieci
Koncepcje systemów PV Schemat blokowy systemu PV przyłączonego do sieci jednofazowej; najpierw samokonsumpcja, w drugiej kolejności ładowanie akumulatorów, energia nie jest oddajwana do sieci ale z możliwością poboru energii z sieci
Koncepcje systemów PV schemat blokowy systemu hybrydowego przyłączonego do sieci jednofazowej z akumulatorami, z generatorem PV, generatorem wiatrowym, spalinowym generatorem prądu (Diesel); najpierw samokonsumpcja, w drugiej kolejności ładowanie akumulatorów, nadwyżka energii do sieci
Power in W Centrum Technologii Energetycznych Świdnica 25-26 listopada 2015 Koncepcje systemów PV Bez systemu magazynowania energia słoneczna konsumowana może być jedynie w czasie gdy system PV generuje Pora dnia PV produkcja Konsumpcja PV samoksumpcja Źródło: SMA
Koncepcje systemów PV inteligentny zintegrowany system z magazynowaniem energii dla nowych systemów PV (SMA) Wzrost wartości energii konsumowanej na miejscu 30 do 55% Źródło: SMA
Koncepcje systemów PV inteligentny elastyczny system z magazynowaniem energii dla już działających i nowych systemów PV (SMA) Wzrost wartości energii konsumowanej na miejscu 30 do 65% Źródło: SMA
Elementy systemów PV
Moduły fotowoltaiczne (PV) Popularne technologie komercyjne Płaskie: oparte o krzemowe ogniwa krystaliczne (85-90%) - monokrystaliczne - multikrystaliczne & quasi-mono Sprawności modułów 14 21% Płaskie cienkowarstwowe (10-15%) - telurek kadmu (CdTe) - diseleneki/siarczki miedziowo-indowe-galowe (CIGS) - krzemowe (msi, MJ-aSi) Sprawności modułów 7 14%
Moduły fotowoltaiczne (PV) Estetyka systemów: jedynie technologia Źródło: Wim Sinke: ECN, EU PTPV
Centrum Technologii Energetycznych Świdnica 25-26 listopada 2015 Moduły fotowoltaiczne (PV) Estetyka: technologia i design! ECN s Black Beauty Źródło: Wim Sinke: ECN, EU PTPV
Falowniki
Systemy fotowoltaiczne (PV) Podłączone do sieci (on-grid) - konfiguracja generator connection box main DC switch main DC switch inverter inverter grid grid System PV z jednym centralnym falownikiem Generator PV z modułami połączonymi w szereg z falownikiem typu stringorientated Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Systemy fotowoltaiczne (PV) Podłączone do sieci (on-grid) - konfiguracja inverter inverter inverter inverter grid grid Generator PV z modułami połączonymi równolegle z falownikiem typu stringorientated Generator PV z modułami połączonymi równolegle z falownikami typu moduleorientated Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Centrum Technologii Energetycznych Świdnica 25-26 listopada 2015 Planowanie Systemu fotowoltaicznego (PV) d = b x [sin(180 - - ) / sin ] h d 1 b b d d 1 h Szerokość modułu Odległość między sąsiadującymi rzędami Wolna przestrzeń między konstrukcjami wsporczymi Wysokość konstrukcji wsporczej Kąt pochylenia Kąt zacieniający d Definiowanie kątów pochylenia i odstępów pomiędzy rzędami modułów w przypadku wolnostojących generatorów PV Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Planowanie System fotowoltaiczny (PV) tilt angle [ ] tilt angle [ ] east south west azimuth angle [ ] Energia promieniwania całkowita kwh/m 2 podczas letnio-wiosennej połowy roku (kwiecień - wrzesień) we Wroclawiu, jako funkcja pochylenia i kierunku (azymutu) east south west azimuth angle [ ] Energia promieniwania całkowita kwh/m 2 podczas jesienno-zimowej połowy roku (pażdz- marzec) we Wroclawiu, jako funkcja pochylenia i kierunku (azymutu) Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Planowanie Systemu fotowoltaicznego (PV) NE E SE S SW W NW 21 Jun solar altitude [ ] 21 Apr 21 Mar 21 Feb 21 Dec time of day (CET) solar azimuth [ ] Krzywa położenia słońca (tzw. krzywa ekliptyczna) (Wroclaw) z zaznaczeniem obiektów, które będą powodowały zacienienie Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Planowanie System fotowoltaiczny (PV) SE S SW azim. angle [ ] altitude angle [ ] Prosty analizator krzywych ekliptycznych. Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Planowanie systemu fotowoltaicznego (PV) System zacieniany częściowo przez komin System PV, w którym dwa fragmenty generatora PV zamontowane zostały pod różnymi kątami Photos: 1. Matthias Belz, Ralos Vertriebs GmbH, Erbach, Germany). 2. Seltmann, Fotovoltaik: Strom ohne Ende, Solarpraxis AG, Berlin, Germany
Systemy montażu Kształtowniki nośne Haki dachowe Zaciski oraz klamry mocujące Śruby z zaciskami Złącza (Źródło: IBC Solar, TopFix 200 )
Systemy montażu równomierne obciążenie na dużej powierzchni modułowa konstrukcja różne kąty nachylenia paneli dobra wentylacja szybka wymiana paneli kąt nachylenia paneli: 10-45 (co 5 ) wstępnie zmontowane (Źródło: IBC Solar, TopFix 200 )
Systemy montażu Niskie obciążenie dachu instalacją - rozwiązanie dla dachów płaskich z niską rezerwą obciążenia granicznego Do instalacji na płaskim dachu bitumicznym lub pokrytym folią Dobra aerodynamika systemu Wysoka odporność na korozję dzięki zastosowaniu aluminium i stali nierdzewnej (Źródło: IBC-Solar)
Systemy montażu
Systemy montażu Mounting PV modules on roof - Unisole (Pride) Źródło: Unisole (Pride)
Systemy montażu a) c) b) d) Photos: DGS, Berlin, Germany; PHÖNIX SonnenStrom AG, Sulzemoos, Germany, Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany; Images: Conergy AG, Hamburg, Germany.
Systemy montażu Photos: DGS, Berlin, Germany; Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany;
Systemy montażu Systemy prowadzenia przewodów i systemy odgromowe