Mgr inż. Jarosław Korczyński + projekt elektrowni PV Pod patronatem:
Copyright by Jarosław Korczyński ISBN 978-83-272-4452-9 Wszelkie prawa zastrzeżone. Rozpowszechnianie i kopiowanie całości lub części publikacji zabronione bez pisemnej zgody autora. Zdjęcie na okładce: OhWeh Wydanie I Lublin 2015 Pod patronatem www.portalfotowoltaika.pl
2 Spis treści Spis treści... 2 Wstęp... 4 1. Systemy fotowoltaiczne... 7 1.1. Rodzaje systemów fotowoltaicznych... 7 1.2. Ogólna struktura systemu fotowoltaicznego... 12 1.3. System fotowoltaiczny a sieć elektroenergetyczna... 15 1.3.1. Systemy niepołączone z siecią elektroenergetyczną... 15 1.3.2. Systemy połączone z siecią elektroenergetyczną... 19 2. Elementy systemu fotowoltaicznego i ich dobór... 23 2.1. Panele fotowoltaiczne... 23 2.1.1. Zasada działania... 23 2.1.2. Rodzaje paneli ze względu na materiał... 24 2.1.3. Parametry elektryczne paneli... 26 2.1.4. Problem zacienienia... 31 2.1.5. Parametry mechaniczne i budowa paneli... 33 2.1.6. Sposoby łączenia paneli... 35 2.1.7. Dobór paneli fotowoltaicznych... 38 2.2. Falowniki... 42 2.2.1. Podział falowników... 42 2.2.2. Parametry falowników... 45 2.2.3. Wbudowane zabezpieczenia... 47 2.2.4. Dobór falowników... 49 2.3. Przewody i kable wraz z zabezpieczeniami... 51 2.3.1. Budowa i parametry przewodów i kabli... 51 2.3.2. Zabezpieczenia przeciążeniowe i zwarciowe... 55 2.3.3. Dobór przewodów i kabli wraz z zabezpieczeniami... 57 2.4. Akumulatory i regulatory ładowania... 61 2.4.1. Rodzaje, budowa i parametry akumulatorów... 61 2.4.2. Zasada działania regulatorów ładowania... 63 2.4.3. Dobór akumulatorów i regulatorów ładowania... 64
Spis treści 3 2.5. Instalacja odgromowa... 65 2.5.1. Ocena ryzyka piorunowego... 65 2.5.2. Elementy wchodzące w skład instalacji odgromowej... 68 2.5.3. Dobór elementów instalacji odgromowej... 70 2.6. System ochrony przeciwprzepięciowej... 72 2.6.1. Koncepcja systemu... 72 2.6.2. Parametry urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej... 74 2.6.3. Dobór urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej... 75 3. Projekt elektrowni fotowoltaicznej... 77 Literatura... 104
4 Wstęp Kurczące się zasoby paliw kopalnych (węgla i ropy naftowej) oraz pogarszający się stan klimatu zmuszają ludzi do poszukiwania nowych źródeł energii. Na świecie zauważalne jest tendencja do rezygnacji z konwencjonalnych źródeł energii na rzecz źródeł odnawialnych (OZE). Liderem zmian wydaje się być obecnie Unia Europejska, która ma ambitne plany oparcia rodzimej gospodarki i przemysłu na zielonej energii. Plany zakładają, że do 2020 r. 20% unijnej energii będzie pochodzić z OZE, natomiast do 2030 r. ma to być aż 27%. Polska, będąc członkiem Unii, również musi podporządkować się tej polityce i zwiększyć udział odnawialnych źródeł energii w bilansie energetycznym do 15% w 2020 r. Obecnie rozwijanych jest wiele technologii produkcji energii opartych o OZE. Do najważniejszych należą: energetyka wodna, energetyka wiatrowa, energetyka słoneczna, energetyka geotermalna. Szczególnie obiecującą technologią wydaje się być energetyka słoneczna (fotowoltaika). Słońce jest niewyczerpanym źródłem energii. Do górnych warstw atmosfery ziemskiej dociera ok. 1,5*10 21 Wh energii, z czego spora część przebija się aż do powierzchni Ziemi. Wykorzystanie nawet niewielkiego ułamka z tej ilości pozwoliłoby na zaspokojenie potrzeb energetycznych całej ludzkości. Fotowoltaika jest jeszcze dosyć drogą technologią, jednakże na skutek wzrostu popytu i spadku kosztów produkcji ceny paneli PV ciągle maleją. Przekłada się to na wzrost zainteresowania tym właśnie źródłem energii i powoduje, że produkcja prądu elektrycznego ze światła słonecznego staje się coraz bardziej realną alternatywą dla energetyki konwencjonalnej. Trzeba nadmienić, że energetyka słoneczna cieszy się większą społeczną akceptacją w porównaniu do np. dynamicznie rozwijającej się energetyki wiatrowej. Panele PV nie emitują hałasu, więc mogą być stawiane blisko ludzkich siedzib. W dodatku
Wstęp 5 nie stanowią zagrożenia dla ptaków, a ten właśnie argument jest często podnoszony przez przeciwników wiatraków. Gruntowe instalacje fotowoltaiczne potrzebują dużych połaci terenu i to jest ich zasadniczą wadą. Energetykę słoneczną można jednak oprzeć o instalacje budynkowe montowane na dachach i elewacjach. Dzięki temu cenne grunty nie są zajmowane, a dotąd bezużyteczne powierzchnie dachów i elewacji mogą służyć do produkcji energii. W skali kraju można by zainstalować olbrzymie ilości paneli PV na budynkach właśnie. Fotowoltaika ma duże szanse na rozwój, w związku z czym warto zainteresować się tą przyszłościową dziedziną. Z tego właśnie powodu powstała ta publikacja. Proces gromadzenia materiałów na jej potrzeby pozwolił stwierdzić, że na rynku wydawniczym dostępnych jest niewiele pozycji poświęconych fotowoltaice. Z kolei spośród tych istniejących, przytłaczająca większość zawiera informacje kompletnie nieistotne z punktu widzenia projektanta instalacji fotowoltaicznych (np. dotyczące historii fotowoltaiki czy procesu produkcji ogniw PV). Niniejsza publikacja ma w pewnym stopniu wypełnić tę lukę. Większy nacisk położono w niej na zagadnienia typowo praktyczne, dotyczące doboru poszczególnych elementów systemu PV. Inne kwestie ograniczono do minimum niezbędnego do zrozumienia tematyki. W tym kontekście książka może stać się poradnikiem dla osób chcących projektować systemy fotowoltaiczne. Publikacja składa się z części teoretycznej dotyczącej zasad projektowania elektrowni fotowoltaicznych oraz z części praktycznej zawierającej projekt gruntowej instalacji fotowoltaicznej, wykonany na podstawie przedstawionych w teorii informacji. Książka swoim zakresem obejmuje: przedstawienie podziału systemów fotowoltaicznych pod względem różnych kryteriów (m.in. mocy, sposobu i miejsca montażu, itp.) opis ogólnej struktury systemu fotowoltaicznego (zestawienie oraz krótka charakterystyka poszczególnych elementów) omówienie sposobu pracy systemów PV w stosunku do sieci elektroenergetycznej przedstawienie szczegółowych informacji dotyczących: paneli fotowoltaicznych falowników przewodów i kabli wraz z zabezpieczeniami przeciążeniowymi i zwarciowymi
Wstęp 6 akumulatorów i regulatorów ładowania elementów instalacji odgromowej urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej opis sposobu doboru ww. elementów do pracy w systemie PV opracowanie projektu budowlanego gruntowej elektrowni fotowoltaicznej. Publikacja zawiera informacje przydatne z punktu widzenia projektanta elektrowni PV.
7 1. Systemy fotowoltaiczne 1.1. Rodzaje systemów fotowoltaicznych System fotowoltaiczny można zdefiniować jako zespół elementów służących do wytwarzania energii elektrycznej z energii promieniowania słonecznego oraz pozwalających na wykorzystanie wyprodukowanej energii. Definicja ta jest bardzo ogólna i obejmuje różnorodne systemy, które można podzielić według wielu odmiennych kryteriów. Jednocześnie należy stwierdzić, że dany system może być jednocześnie zaliczony do kilku różnych kategorii, w zależności od aktualnie rozpatrywanej jego cechy. Podstawowym i od razu przychodzącym na myśl kryterium podziału jest wartość znamionowej mocy szczytowej systemu fotowoltaicznego. Na podstawie tego kryterium można wyróżnić systemy [2]: małe (o mocy nieprzekraczającej 10 kw p ) - są to głównie niewielkie instalacje dachowe na budynkach mieszkalnych czy instalacje dedykowane do zasilania konkretnych odbiorników (parkometry, znaki drogowe, szlabany i inne niewielkie urządzenia) średnie (o mocy od 10 kw p do 100 kw p ) - do tej grupy należą większe instalacje dachowe na obiektach użyteczności publicznej czy zakładach przemysłowych oraz małe instalacje gruntowe wielkie (o mocy przekraczającej 100 kw p ) - przeważającą część tego typu systemów stanowią instalacje gruntowe, chociaż do tej kategorii można zaliczyć również największe instalacje dachowe. W polskim prawodawstwie funkcjonuje jeszcze inny podział systemów fotowoltaicznych (i w ogóle jednostek wytwórczych wykorzystujących odnawialne źródła energii) ze względu na moc. Wyróżnia się mianowicie systemy PV o mocy nieprzekraczającej 40 kw p i nazywa je mikroinstalacjami, w odróżnieniu od pozostałych źródeł wytwórczych o mocy większej niż 40 kw p. Należy jeszcze wyjaśnić w jaki sposób określania jest moc systemu fotowoltaicznego. Otóż każdy z wchodzących w skład systemu paneli fotowoltaicznych charakteryzuje się tzw. znamionową mocą szczytową. Jest to maksymalna moc elektryczna jaką panel jest w stanie wygenerować w określonych warunkach, tzw. warunkach STC (Standard Test Conditions), które są zdefiniowane następująco: