Instalacje fotowoltaiczne

Głównymi czynnikami, które przyczyniają się do decyzji o zamontowaniu instalacji fotowoltaicznej, jest możliwość zaoszczędzenia na rachunkach za energię elektryczną oraz osiągnięcie przynajmniej częściowej niezależności energetycznej. Zgłębiając tę tematykę, natrafimy na różne informacje, a w ostatnim czasie szczególnie często wspomina się o bankach energii oraz pożarach instalacji na dachach. W zaprezentowanym artykule postanowiłem uporządkować kluczowe fakty dotyczące instalacji PV i opisałem w przystępny i zwięzły sposób:

• jak dobrać rozmiar magazynu energii do zapotrzebowania dobowego;
• jak dobiera się wielkość instalacji PV do zapotrzebowania rocznego;
• jakie są warunki całkowitej niezależności energetycznej;
• jakie są podstawowe rodzaje instalacji PV;
• różnicę pomiędzy "starym" i "nowym" systemem rozliczania z zakładem energetycznym;
• jak i po co zwiększyć zużycie.

Ile zużywam, ile wyprodukują panele (latem)

Przed podjęciem jakichkolwiek decyzji inwestycyjnych należy sprawdzić, jak wygląda nasze zużycie energii elektrycznej w ciągu jednej doby oraz w ciągu roku. Dla przykładu podam średnie dane statystyczne dotyczące produkcji energii z instalacji PV i zużycia w gospodarstwie domowym czteroosobowym (rysunek 1), bez zainstalowanej pompy ciepła. Jako instalację PV przyjmę instalację 2,0 kWp, skierowaną na południe o stałym kącie nachylenia ok. 40°. Na wykresie widzimy przeciętne godzinowe zużycie czteroosobowego gospodarstwa domowego - linia czerwona, oraz godzinową produkcję energii z instalacji PV - linia żółta. Wyraźnie widać, jak rozmija się szczyt produkcji energii z okresami jej największego poboru. Sumarycznie dobowe zużycie na poziomie ok. 10 kWh odpowiada sumarycznej dziennej produkcji energii w słoneczny czerwcowy dzień z instalacji 2 kWp która powinna wynieść prawie 11 kWh.

Rysunek 1. Średnie dane statystyczne dotyczące produkcji energii z instalacji PV i zużycia w gospodarstwie domowym czteroosobowym

Co robić z nadmiarem energii

Sytuacja z rysunku 1 obrazuje podstawowy problem instalacji PV - nadmiar produkowanej energii w środku dnia i niedobór produkcji w godzinach porannych i wieczornych. Z wykresów wynika, że na bieżąco można zużyć ok. 30% wyprodukowanej energii i to przy dość niewielkiej instalacji. Przy instalacjach o większej mocy procentowy udział zużycia będzie jeszcze mniejszy.

Aby energię elektryczną wytworzoną przez instalację PV spożytkować w dogodnym dla siebie momencie, trzeba ją magazynować. Na rysunku 2 zostały pokazane najważniejsze możliwe konfiguracje instalacji fotowoltaicznej.

Rysunek 2. Najważniejsze możliwe konfiguracje instalacji fotowoltaicznej

Wirtualny bank energii - net metering

Jest to rozwiązanie wygodne dla prosumenta - nadmiar jest oddawany do sieci energetycznej, dystrybutor energii zlicza oddane kWh energii, które możemy potem odebrać w dowolnym momencie w ciągu okresu rozliczeniowego (zazwyczaj 1 rok). Koszt, jaki ponosi prosument - za gospodarowanie energią dystrybutor potrąca 20% z energii oddanej. Powyższe rozwiązanie jest (było) stosowane tylko w celu zwiększenia zainteresowania instalacjami fotowoltaicznymi. Obecnie odchodzi się od takich rozwiązań nie tylko w Polsce, ale i na całym świecie. Koszt gospodarowania (dla zakładów energetycznych) tak wyprodukowaną energią rośnie powyżej wspomnianych 20% wraz z liczbą przyłączonych instalacji PV.

Wirtualny portfel energii - net billing

Rozwiązanie to jest podobne do poprzedniego. Różnicą jest sposób rozliczania energii. Energia wyprodukowana przez fotowoltaikę jest sprzedawana po cenie hurtowej (średniej miesięcznej cenie sprzedaży energii z giełdy RCEm). A prosument, pobierając energię z sieci, płaci po cenie detalicznej. Aby zmaksymalizować oszczędności, mamy dwie opcje:

• sprzedać hurtowo więcej energii do sieci, niż zostanie później z sieci kupione detalicznie;
• zwiększyć zużycie, tak aby z sieci pobierać i oddawać mniej (np. instalując bank energii lub sterując odbiornikami tak, aby pracowały w szczycie produkcji).

Zgromadzone środki pieniężne mogą pokryć koszt zakupu energii, ale pozostałych kosztów, takich jak koszt dystrybucji czy opłata mocowa, już nie.

Bank ciepła

Bojler o pojemności 100 l to magazyn energii cieplnej o wartości 5 kWh (dla ΔT 43°C). Można więc przekierować nadmiar energii do podgrzewania wody w bojlerze. Większa instalacja PV będzie wymagała większego zbiornika, za to umożliwi magazynowanie energii (cieplnej) na 2...3 dni.

Zwiększanie zużycia

Najprostsze rozwiązanie to włączanie pralki czy zmywarki z opóźnieniem, tak aby domowe AGD pracowało w czasie gdy produkcja z własnej elektrowni idzie pełną parą. W praktyce pralka czy zmywarka pobiera ok. 1...2 kWh na cykl. To w dalszym ciągu za niski poziom zużycia.

Można też zwiększyć produkcję energii w szczycie poboru porannym i popołudniowym. Można to zrobić, kierując część paneli PV na wschód, a pozostałą część na zachód. Wówczas produkcja będzie startować wcześniej i kończyć się później, a w środku dnia wykres produkcji będzie spłaszczony. Drugi sposób realizuje się, instalując panele na ruchomej konstrukcji śledzącej słońce - jest to tzw. tracker. Umożliwia wyprodukowanie 2 razy więcej energii w stosunku do instalacji w pełni stacjonarnej.

Nieco bardziej skomplikowanym rozwiązaniem jest dogrzewanie bojlera z energii PV. Najlepiej zrobić to z zastosowaniem inteligentnego sterownika, który włącza grzałkę tylko wtedy, gdy wytwarzanie energii jest na wysokim poziomie, a autokonsumpcja jest zbyt niskie.

Samochód elektryczny ma bardzo duże zapotrzebowanie na energię, ale ma ważną zaletę - pozwala sterować mocą ładowania. Złącze ładowania, oprócz właściwego zasilania, poprzez dodatkowy styk podaje sygnał pilota (jest to sygnał PWM), a jego wypełnienie steruje mocą, z jaką pojazd może obciążyć sieć. Stosując odpowiedni kontroler, można kontrolować moc ładowania samochodu tak, aby zużyć tylko taką wartość energii, która nie będzie spożytkowana przez żaden inny odbiornik w naszym domu. Funkcja nazywana jest Real-time Solar Diversion. Nie jest to rozwiązanie idealne - tak postępować można tylko wtedy, gdy samochód stoi pod domem, chyba że stać nas na dwa samochody elektryczne - jeden jeździ, drugi się ładuje. Przykład takiego rozwiązania open source to OpenEVSE - Electric Vehicle Charging Solutions [3].

Pompa ciepła jest również energochłonna. Latem używamy jej tylko do podgrzewania C.W.U. W celu zwiększenia zużycia wystarczy zaprogramować pompę tak, aby podgrzewała wodę tylko w godzinach największego nasłonecznienia. Optymalne rozwiązanie jest takie, gdy pompa współpracuje z zasobnikiem 300 l lub większym.

Gromadzeniem energii warto inteligentnie sterować. Instalacje gromadzące energię na dłuższy czas (2...3 doby) mogą przewidywać, jaką część nadmiaru gromadzić w bojlerze, a jaką w baterii. Inteligentny router energii (diverter), najlepiej sprzężony z systemem prognozowania produkcji energii [4], znacznie zredukuje zakupy energii z sieci do niezbędnego minimum. Ciekawą opcją jest też sprzęgnięcie instalacji PV z systemem domu inteligentnego Home Assistant [5].

Bank baterii

Baterie elektrochemiczne wymieniam na ostatnim miejscu, ponieważ jest to rozwiązanie najdroższe, a dodatkowo charakteryzuje się ograniczona żywotnością. Jeżeli zdecydujemy się na baterie litowe (dłuższa żywotność), to warto wiedzieć, że większości typów nie wolno ładować w temperaturze poniżej 5°C, co ogranicza możliwość instalowania w nieogrzewanym pomieszczeniu. Jednak akumulatory mają też niepodważalną zaletę - zmagazynowaną energię możemy zużyć w dowolnym momencie.

Jakie są korzyści z zainstalowania banku energii w formie akumulatorów?

1. Możemy magazynować niewykorzystane nadwyżki energii wyprodukowanej za dnia, a zmagazynowaną energię możemy zużyć w godzinach szczytu lub w nocy. Dużo zależy od inwertera, jaki stosujemy, najlepiej, aby miał funkcję zero-export, która powoduje, że energię z PV zużyjemy w pierwszej kolejności, nadmiar zmagazynujemy w akumulatorach, a nocą energia będzie czerpana z baterii. Część inwerterów ma też funkcję UPS przydatną na wypadek awarii sieci energetycznej - wówczas bez synchronizacji z siecią prąd dalej będzie produkowany czy to z paneli, czy z baterii.
2. Szczerze przyznam, że nie wiem, jak w Polsce będzie działać RCE godzinowa (a docelowo 15-minutowa). Zagraniczne rozwiązania sugerują, że przy RCE zmiennej godzinowo bank energii jest opłacalny nawet bez fotowoltaiki. Działa to tak: akumulatory ładujemy w środku dnia lub w środku nocy - gdy prąd jest najtańszy do kupienia lub wytworzenia. A inwerter programujemy do pracy z baterii w godzinach szczytu. W pozostałych godzinach energię pobieramy z sieci energetycznej.
3. Bank baterii rozwiązuje też problem wzrostu napięć w sieci energetycznej. Jest to dość częsta przypadłość sieci NN: dla osiedli, gdzie duży procent domów instaluje instalacje fotowoltaiczne, w godzinach największego nasłonecznienia występują wzrosty napięcia sieci do maksimum: falowniki przestają wówczas oddawać prąd do sieci, czekając na obniżenie się napięcia. Występuje tzw. walka falowników. Opisany problem nie dotyczy tylko polskich sieci NN. W co najmniej kilku innych krajach problem jest identyczny. Bank baterii sprzężony stroną DC z instalacją fotowoltaiczną pozwala w takim przypadku magazynować całą energię - gdy sieć energetyczna nie ma warunków, aby tę energię odebrać. Banki energii podłączone po stronie AC mogą nie być w stanie przyjąć energii, w końcu sieć (a przynajmniej napięcie) wykracza poza dopuszczalne normy. Dla banków AC dużo w tym przypadku zależy od stopnia przeciążenia sieci NN.

Off-grid

Pełny off-grid to instalacja odizolowana od sieci energetycznej. W ciągu dnia prąd jest wytwarzany za pomocą energii słonecznej, a w dni pochmurne i w nocy zużywamy zmagazynowaną energię. Problem pojawia się zimą, kiedy jest niewiele dni słonecznych. Rozwiązanie off-grid wymaga dużej baterii i dużej mocy zainstalowanej, tak aby nadmiar energii z dni słonecznych mógł pokryć zapotrzebowanie w dni pochmurne. Latem nie ma większego problemu, ale w grudniu często występują ciągłe zachmurzenia, mogą trwać nawet dwa tygodnie na jeden czy dwa dni słoneczne. Przy dużym zachmurzeniu panele produkują zaledwie 5...10% mocy znamionowej, a grudniowy dzień jest krótki.

Zero export

Rozwiązanie typu zero export to z kolei instalacja (inwerter) podłączona do sieci energetycznej, ale zużywająca prąd ze słońca w ciągu dnia, w nocy z baterii, a z sieci prąd pobiera tylko wtedy, gdy słońca nie ma, a bateria jest rozładowana. Ten tryb zazwyczaj można też konfigurować do pracy jako UPS.

Można też ustawić minimalny stopień rozładowania baterii, tak aby połączyć zalety obu trybów - uzyskamy duży stopień zużycia, zyskując niezależność na wypadek awarii sieci energetycznej.

Tryb zero export jest o tyle ciekawy, że poprawnie skonfigurowany nic nie oddaje do sieci. Nie trzeba więc nic zgłaszać do zakładu energetycznego, nie trzeba podpisywać nowej umowy, odpadają nam dodatkowe opłaty prosumenckie. Podstawową wadą tego rozwiązania jest fakt, że dla instalacji w trybie zero export czy off-grid nie uzyskamy dofinansowania rządowego. Aby takowe otrzymać, musi być podpisana umowa prosumencka na eksport energii.

Dobór mocy instalacji - dobór magazynu energii

Zanim przejdę do kwestii doboru wielkości magazynu oraz mocy instalacji, zaprezentuję średnie dane statystyczne o produkcji energii w ciągu roku na przykładzie instalacji 2 kWp zestawione ze zużyciem energii typowym dla czteroosobowego gospodarstwa domowego (rysunek 3).

Rysunek 3. Średnie dane statystyczne obrazujące ilość wyprodukowanej energii w ciągu roku zestawione ze zużyciem energii typowym dla czteroosobowego gospodarstwa domowego

W najbardziej słonecznych miesiącach, czerwcu i lipcu, na pokrycie dobowego zużycia wystarczy nam bank energii o pojemności ok 7 kWh magazynujący nadwyżkę produkcji w ciągu dnia. Wtedy instalacja solarna 2 kWp w zupełności wystarczy. Niestety w miesiącach zimowych, w szczególności w grudniu i styczniu, dni słonecznych jest niewiele. W dni pochmurne instalacja PV produkuje od 5 do 20% swojej mocy znamionowej, w zależności od stopnia zachmurzenia (duże, średnie, małe). Aby pokryć zapotrzebowanie w ciągu doby w grudniu, instalacja musiałaby mieć moc 20 kWp (zakładając brak pompy ciepła oraz samochodu elektrycznego). Natomiast latem taka instalacja o mocy 20 kWp dziennie wyprodukowałaby 100 kWh. Taką ilość albo oddamy do sieci, albo przepadnie. Baterie o takiej pojemności znajdują się tylko w niektórych samochodach lub ciężarówkach elektrycznych.

Jak dobrać moc instalacji PV, ile oszczędzamy

Dla instalacji <2 kWp uzasadnienie ma tryb off-grid lub zero-export. Dla tak małych instalacji nie dostaniemy zgody na przyłączenie do sieci na klasycznych zasadach, minimum to ok. 2 kWp. Roczne zużycie przeciętnego gospodarstwa domowego to ok. 3500 kWh. Instalacja 2 kWp wyprodukuje rocznie ok. 2000 kWh. W instalacjach net-metering/off-grid/zero-export roczny bilans energii liczymy wprost (lub zmniejszając produkcję do 80%). Zatem rocznie zużyjemy 3500 kWh, PV wyprodukuje ok. 2000 kWh, z czego 600 kWh zużyjemy do celów własnych, 1400 kWh zmagazynujemy w sieci i odbierzemy w formie darmowej energii. Zabraknie nam ok. 1500 kWh, które trzeba dokupić z sieci.

W systemie net biling musimy przeliczyć, po ile średnio sprzedamy i kupimy 1 kWh. Z instalacji 2 kWp uzyskamy 2000 kWh, z których na bieżąco zużyjemy 600 kWh, 1400 kWh sprzedamy za 930 zł (stawka RCEm na luty 2023 r.), brakujące 2900 kWh dokupimy z sieci. Oszczędnością w tym przypadku jest te 930 zł, które pokryje nam część kosztu zakupu energii. Niestety RCE nie da się przewidzieć, jest kalkulowana przez dostawców na dany miesiąc, więc wyliczenie jest de facto szacunkiem.

Instalacja PV o mocy 2 kWp jest sensownym minimum przy typowym zużyciu, tj. 10 kWh na dobę, w dni bezchmurne będziemy mogli zużyć na bieżąco to, co wyprodukuje, w dni pochmurne będzie nas wspierać, produkując do 20% mocy zainstalowanej (efektywnie zmniejszając zużycie z sieci).

Do instalacji do 3 kWp warto rozważyć tryb zero export. Całości zapotrzebowania przez większość roku taka instalacja nie pokryje, ale za to latem prądu nie będziemy kupować wcale. Dla instalacji pracującej w trybie zero export nie trzeba podpisywać umowy prosumenckiej z zakładem energetycznym, nic w sieci nie magazynujemy.

Większe moce zainstalowane (powyżej 3 kWp) przydadzą się w okresie jesienno-zimowo-wiosennym; przy małym zachmurzeniu produkcja spadnie do 20% mocy zainstalowanej. Im większa moc naszych paneli, tym większe będzie te 20% produkcji. Latem w dzień bezchmurny energii dostarczonej z instalacji 3 kWp i tak nie zużyjemy w ciągu jednej doby. Należy się więc zdecydować, co zrobić z nadwyżką latem (ok. 5 kWh/dobę): oddać do sieci (net billing), zainstalować dużą baterię o pojemności 30...50 kWh, zdolną akumulować nadwyżkę z kilku dni słonecznych albo ta nadwyżka się zmarnuje. Dla instalacji >3 kWp warto rozważyć dodatkowo router energii lub urządzenie priorytetyzujące: grzejące wodę w bojlerze w przypadku małego zużycia.

Instalacje 4...5 kWp i większe mają sens dla odbiorców zużywających ponadprzeciętne ilości energii - np. gdy jest dołączona pompa ciepła czy auto elektryczne. Pobór energii przez pompę ciepła rocznie to typowo od 4 do 6 MWh. W starym systemie net metering wystarczyła instalacja 8...10 kWp, aby to zapotrzebowanie pokryć. Net billing jest bardziej skomplikowany, jeśli chodzi o precyzyjne policzenie oszczędności. Pomimo to sytuacja jest jasna - im większa instalacja, tym więcej oszczędzimy.

Pewną granicą jest 10 kWp z dwóch powodów:

• nie zawsze jest dostępna taka powierzchnia do zagospodarowania przez panele,
• nie można przekroczyć mocy przyłącza do budynku, zazwyczaj jest to 10...16 kW.

W net bilingu ceny prądu zimą i latem są różne. Trudno jest określić (w jakim stopniu to, ile wyprodukujemy i sprzedamy latem, pokryje koszt prądu zimą. Na razie taryfy ustalane przez URE są przewidywalne dla gospodarstw domowych, wiemy) ile prąd będzie kosztował do końca grudnia. Ale nie wiemy (po ile sprzedamy prąd latem (cena energii na czerwiec 2022 r., 1 kWh=0,649 zł; styczeń 2023 r., 1 kWh=0,596 zł; luty 2021 r., 1 kWh=0,26 zł).

Teraz na deser - samochód elektryczny. Przeciętnie zużywa 14...20 kWh/100 km. Musimy przeliczyć przebieg roczny na kWh i szacować, ile z tego będziemy ładować w domu.

Jak dobrać pojemność banku energii

Dla małych instalacji (<2 kWp) baterię dobieramy do ilości energii, jaką taka instalacja może wyprodukować. Pojedynczy panel o mocy 500 W w ciągu słonecznego dnia wyprodukuje ok. 2,5 kWh. Jeżeli 30% zużyjemy na bieżąco, to wystarczy nam bateria o pojemności do 2 kWh.

Dla instalacji produkującej równowartość naszego dobowego zużycia warto dobrać baterię mogącą zmagazynować przynajmniej 70% naszego dobowego zużycia - zalecam przynajmniej 5 kWh. Dla instalacji większych niż 3 kWp ograniczeniem pojemności baterii jest tylko zasobność naszego portfela, a zyskiem jest czas pracy na samej baterii np. w przypadku awarii sieci energetycznej. Ale nawet dla takiego czarnego scenariusza należy pamiętać, że latem nawet stosunkowo mała bateria (5...7 kWh) doładuje się z instalacji PV następnego dnia nawet przy długiej awarii w sieci. Oczywiście większa bateria pozwoli nam korzystać z własnego prądu przez kilka pochmurnych dni z rzędu.

Oczywiście większość szacunków przyjmuję dla instalacji 2 kWp. Jeśli zużycie naszego gospodarstwa jest większe lub chcemy więcej zaoszczędzić, to dane należy zmienić. Zaprezentowany sposób wyliczenia zachęca do budowy własnej elektrowni słonecznej o umiarkowanym rozmiarze. Osobiście jestem zdania, że ubiegłoroczne zawirowania w cenie (hurtowej) energii elektrycznej przede wszystkim wywindowały ceny podzespołów do budowy instalacji PV. Oczywiście trudno jest przewidzieć, co będzie w przyszłości.

Podstawowe podzespoły do budowy instalacji PV

Inwerter

Przetwornica napięcia jest sercem całego systemu. Jej typ i jej możliwości konfiguracyjne wyznaczą nam sposób magazynowania nadmiarowej energii. Najprostsze rozwiązanie to 1 panel PV, ładowarka solarna PWM lub MPPT 30 V DC na 12 V DC, akumulator 12 V oraz prosta przetwornica 12 V DC/230 V AC. Rozwiązanie takie można skalować od 100 W i można łączyć panele równolegle lub szeregowo w zależności zastosowanej ładowarki solarnej. Spotyka się rozwiązania tego typu nawet do 7 kW, przy czym dla takiej mocy bateria jest już 48 V. Taki system jest całkowicie oddzielony od sieci (off-grid).

Dla systemów oddających energię bezpośrednio do sieci energetycznej najprostsze i najmniejsze rozwiązanie to 1 panel PV i 1 mikroinwerter przetwarzający napięcie ok. 40 V DC na 230 V AC zsynchronizowane z siecią energetyczną. Działać będzie, ale jak już wspominałem minimum, na jakie możemy dostać zgodę, to 2 kW. Systemy o większych mocach buduje się albo montując wiele zestawów panel PV+mikroinwerter, albo łącząc panele w większą sieć, a następnie z inwerterem większej mocy.

Warto rozważyć inwerter hybrydowy, który jest przeznaczony do pracy z akumulatorem. Mając ograniczony budżet, można dokupić baterię w przyszłości, a inwerter hybrydowy może pracować także bez baterii.

Są to najprostsze możliwe przykłady. W rzeczywistości możliwości konfiguracji jest dużo więcej, można nawet rozbudowywać istniejące systemy z prostym falownikiem do współpracy z dodatkowym inwerterem hybrydowym i tak magazynować energię z całej instalacji. Możliwości konfiguracji jest sporo, ale dobrze jest przemyśleć konfigurację już na początku, aby później nie kupować inwertera dwa razy.

Panele fotowoltaiczne

Każdy panel PV musi być szczelny. Jest to krytyczny warunek, szczególnie jeśli kupujemy używane. Ważny jest transport i przechowywanie - w panelach oprócz widocznych uszkodzeń mogą występować mikropęknięcia ogniw, zazwyczaj możliwe do wykrycia tylko kamerą na podczerwień wysokiej rozdzielczości. W przypadku utraty izolacji (w warunkach wilgotnych) część falowników wyłącza się automatycznie po wykryciu takiej usterki. Jeśli panele łączymy w szereg, krytyczne jest, aby miały identyczne parametry elektryczne, szczególnie ważny jest prąd znamionowy oraz zwarcia. W przypadku użycia paneli np. z różnych partii produkcyjnych, o nieco innych parametrach, czy gdy możliwe jest częściowe zacienienie podczas pracy instalacji, zaleca się stosowanie optymalizatorów (jeden przeznaczony do każdego panelu PV). Zalecam użycie paneli nowych, od renomowanych dostawców i producentów. Niemniej jednak nie brakuje instalacji zbudowanych z paneli używanych.

Złącza MC4

Do łączenia instalacji stałoprądowej najpopularniejsze są złącza MC4 (fotografia 1).

Fotografa 1. Wygląd złącza MC4 stosowanego w instalacjach fotowoltaicznych

Złącza są o tyle istotne, że w przypadku wadliwego egzemplarza nie będzie nam łatwo zdiagnozować problemu, zwłaszcza że instalacja często jest zamontowana na dachu, a uszkodzone złącze zaczyna się nagrzewać pod obciążeniem. Zarówno podczas montażu końcówki zaciskowej, jak i podczas łączenia złączek należy uważać, aby złącze było wolne od wilgoci i brudu. Do zaciskania używamy specjalnej zaciskarki dobranej prawidłowo do przekroju przewodu.

Bardzo ważne w złączu są uszczelki. Od strony przewodu nakrętka dociska uszczelnienie złącze-przewód, od strony końcówki elektrycznej uszczelka zabezpiecza połączenie dwóch konektorów. W przypadku uszkodzenia którejkolwiek uszczelki z czasem połączenie zacznie korodować, zwiększając rezystancję połączenia.

Ważne! Złączy nie rozłączamy pod obciążeniem! Łuk elektryczny instalacji stałoprądowej 400 V ma kilka centymetrów długości, niszczy złączki i kable w ciągu kilku sekund. Wyjątkiem mogą tu być instalacje z mikroinwerterami, napięcie pracy po stronie DC wynosi ok. 40...50 V, łuk jest stosunkowo niewielki, nie ma niebezpieczeństwa pożaru, ale mimo wszystko nie mamy gwarancji, że złącze zachowa swoje właściwości.

Okablowanie

Wszystkie przewody wystawione na działanie słońca muszą być przystosowane do pracy w wysokich temperaturach oraz odporne na promieniowanie UV. Zazwyczaj stosuje się przewody solarne w podwójnej izolacji. Przekrój dobieramy do obciążenia oraz do spadków napięcia jakie dopuszczamy po drodze do falownika. Zazwyczaj jest to 4 lub 6 mm². Grubsze przewody stosuje się wtedy, gdy połączenie jest wyjątkowo długie >10 m lub gdy łączymy kilka sekcji równolegle.

Ogólna zasada jest taka, że żaden przewód nie może dotykać dachu, każdy powinien być podwieszony metalowymi klipsami (fotografia 2) lub opaskami do szyn mocujących panele. Ma to na celu zapobiec przetarciu się izolacji z czasem pod wpływem wiatru (np. gdy izolacja ociera o kant dachówki) a zimą zapobiega uszkodzeniom spowodowanym zsuwającym się śniegiem i lodem.

Fotografa 2. Metalowe klipsy do mocowania przewodów

Rozłącznik izolacyjny

Rozłącznik izolacyjny instalacji DC PV nie jest obowiązkowy. Ale zalecam jego zastosowanie w instalacji zawierającej szereg kilku...kilkunastu paneli. Jest w stanie przerwać łuk elektryczny DC pod napięciem kilkuset woltów pod pełnym obciążeniem. Są dostępne różne rodzaje, część jest dostępna w wersji spełniającej IP66 (fotografia 3) i teoretycznie nie ma przeszkód, aby zamontować go nawet na dachu tuż przy instalacji. W praktyce jednak zdarzają się nieszczelności i problemy z samymi wyłącznikami spowodowane wpływem warunków atmosferycznych, dlatego zalecam zamontowanie tego eleemntu w miejscu osłoniętym przed deszczem i słońcem.

Fotografa 3. Rozłącznik izolacyjny instalacji PV

Bank energii - akumulator

Dużą gęstość energii mają baterie litowo-jonowe typu NMC, typowo spotykamy je w formie ogniw cylindrycznych. Stosunkowo łatwo jest określić stan naładowania tego typu ogniw, napięcie jest proporcjonalne do stanu naładowania. Jednak do samodzielnej budowy pakietu odradzam ten typ akumulatora.

W przypadku zwarcia czy przeładowania ten rodzaj ogniwa może spektakularnie zapłonąć. Można to niebezpieczeństwo zredukować, nigdy nie ładując baterii do 100%. Uzyskamy wówczas zwiększone bezpieczeństwo oraz czterokrotnie zwiększoną żywotność - dla zakresu pracy 20...80% żywotność ogniw NMC powinna wynieść przynajmniej 1500 pełnych cykli, a mikrocykli będzie kilkukrotnie więcej.

Fotografa 4. Moduł baterii LiFePO₄ (https://bit.ly/43PsbXo)

Mniejszą gęstość energii mają ogniwa typu LiFePO4 (fotografia 4). Dla uzyskania tej samej pojemności liczonej w kWh musimy użyć więcej ogniw, całość zajmie też więcej miejsca i będzie cięższa. Zaletą jest ich bezpieczeństwo, nawet w przypadku przebicia lub przeładowania generują mnóstwo dymu, ale same z siebie się nie zapalają. Zaletą jest też ich żywotność, która praktycznie nie zależy od głębokości cykli. Można je eksploatować w cyklach od 0 do 100%, a żywotność i tak wyniesie kilka tysięcy cykli, dla niektórych modeli nawet powyżej 10 000.

Najlepsze są akumulatory w technologii LTO, stosunkowo bezpieczne, o dużej gęstości energii i dobrych właściwościach w temperaturach poniżej 0°C. Niestety są drogie, przez co rzadko stosowane w bankach energii.

Bank energii zazwyczaj należy dobrać do konkretnego typu falownika. I tak, instalacje/falowniki do 2...3 kW zazwyczaj wymagają akumulatorów 24 V. Do falownika o mocy rzędu 4 kW zaleca się już baterię 48 V. Niektóre typy inwerterów wymagają odpowiednich zespołów baterii o napięciu 200...400 V DC, zazwyczaj kupuje się komplet inwerter-bateria od jednego producenta. Jeśli ktoś buduje bank energii samemu, zalecam trzymać się napięć bezpiecznych - do 48 V, kosztem są wówczas grube przewody zdolne przenosić prądy ciągłe rzędu 100 A.

Większość falowników wymagających baterii 24 V czy 48 V nie wymaga komunikacji z układem nadzoru baterii do pracy w podstawowych trybach, takich jak UPS czy zero export. Większość można skonfigurować tak, aby dbały o baterię, nigdy nie ładując do 100% i nigdy nie rozładowując poniżej 20%, ale taka funkcja wymaga układu nadzoru baterii, który mierzy stan naładowania (SoC - Safe of Charge) oraz komunikuje ten stan do inwertera. Dla osób zainteresowanych samodzielną budową banku energii zachęcam zapoznać się z projektem open source diyBMS [6].

Krótko wspomnę jeszcze o klasycznych akumulatorach kwasowo-ołowiowych. Można je stosować. Zazwyczaj czas życia przy pracy w cyklach 0...100% jest wielokrotnie dłuższy dla akumulatorów w technologii litowej, więc "kwasiak" może się zwyczajnie nie opłacać. Jednak jeśli mamy okazję np. na akumulator z wózka widłowego czy trakcyjny, warto rozważyć zastosowanie takiego komponentu, nawet używanego.

Konstrukcja wsporcza

W zależności od typu pokrycia dachowego stosuje się różnego typu uchwyty do szyn. Dopiero na szynach mocuje się same panele. Wszystkie metalowe szyny i ramy powinny być połączone ze sobą elektrycznie i uziemione odpowiednim przewodem. Wszystkie elementy instalacji PV powinny być umieszczone w pewnej odległości od instalacji odgromowej [7]. Zaleca się też zachowanie odległości od krawędzi dachu ze względu na narażenia od wiatru. Zachowując odległość od krawędzi, zmniejszamy siły działające na panele podczas wichur.

Jak się przygotować na możliwe problemy

Pamiętajmy, że wszystko może się zepsuć. Inwertery mogą przestać działać, często z winy użytkownika - nie zachował właściwej kolejności włączania baterii/PV/sieci; niewłaściwy montaż np. ograniczający chłodzenie czy przepięcia w sieci wywołane burzą.

Same panele PV do pewnego stopnia są odporne na grad. Ale zdarzają się sytuacje ekstremalne, takie jak wyjątkowo duże kule gradowe albo silny wiatr, który zrzuca konstrukcję wsporczą z dachu (zazwyczaj z dachów płaskich). Po burzy mogą się pojawić tzw. hot-spoty. Zdarzają się nawet uszkodzenia od mikrometeorytów! Występowanie niektórych zdarzeń można ograniczyć. Nigdy nie zakładajmy, że nasza instalacja będzie działała bezawaryjnie i w miarę możliwości montaż krytycznych elementów warto zaplanować w miejscach dostępnych dla serwisu.

Problem instalacji trójfazowych - dzielenie przez trzy

Na początek opiszę prosty przykład. Jeśli włączę czajnik i mikrofalówkę, oba podłączone do tego samego gniazdka w kuchni, to będę zużywał ok. 3 kW mocy. Przy prostej instalacji 5 kWp falownik trójfazowy będzie oddawał po 1,7 kW na każdą fazę maksymalnie w środku dnia. Czyli w środku słonecznego dnia i tak muszę dokupić energii z sieci jeśli, załączę cokolwiek powyżej 1,7 kW na jednej fazie. Aby ominąć taki problem, stosuje się bardziej rozbudowane falowniki, które równoważą niesymetryczne obciążanie faz, lub 3 niezależne falowniki jednofazowe spięte z jedną baterią 48 V - z opcją zero export i/lub load-shedding. Instalacje mniejsze, 2...3 kWp, zazwyczaj i tak wykonuje się jako jednofazowe i podłącza do jednej fazy, tej, na której występują największe obciążenia, jak: pralka, zmywarka, bojler. Teoretycznie tego typu obciążenia powinny być rozdystrybuowane równomiernie na wszystkie 3 fazy, ale różnie z tym bywa w praktyce.

Częściowe zacienianie

Jeżeli z jakiegokolwiek powodu (komin, linia energetyczna, drzewa) choć przez część dnia fragment instalacji jest zacieniony, to spodziewajmy się ograniczenia produkcji. Zacienienie, nawet fragmentu jednego panelu, zazwyczaj powoduje spadek o 20...30% generowania całej sieci (jeżeli są połączone szeregowo). Rozwiązania są zasadniczo dwa: jedno to mikroinwertery - utrata mocy na jednym nie wpływa na pozostałe, drugie rozwiązanie to dzielenie sieci PV na sekcje połączone szeregowo-równolegle. Sposób łączenia (szeregowo-równoległy) sieci PV DC zależy od inwertera, w zakresie jakich napięć może śledzić punkt maksymalnej mocy MPPT.

Wzrosty napięcia w sieci NN

Jeszcze przed jakąkolwiek decyzją o inwestycji należy sprawdzić napięcie w sieci dystrybucyjnej w bezchmurny, słoneczny dzień, w samo południe. Można zrobić to multimetrem, można z poziomu licznika energii (kody OBIS 32.7.0, 52.7.0, 72.7.0). Sprawdzamy napięcie chwilowe w fazie L1, L2, L3, najlepiej notować najwyższe i najniższe wskazania przez kilkanaście minut. Jeśli napięcie nie przekroczyło 245 V na żadnej fazie, znaczy, że lokalna sieć NN nie jest przeciążona fotowoltaiką lub jest blisko do transformatora. Jeśli napięcie osiąga 250 V, należy spodziewać się chwilowych włączeń przetwornicy od czasu do czasu, spowodowanymi nadmiernym napięciem w sieci NN. Sumarycznie nie powinniśmy jednak tracić powyżej 10% rocznie wyprodukowanej energii. Jeśli jednak napięcie jest powyżej 250 V, a momentami dochodzi do 253 V, spodziewajmy się przerw w oddawaniu energii do sieci i strat produkcji na poziomie 30%. Tym większe będą straty wywołane przerwami produkcji, im większą instalację zamontujemy.

Fotografa 5. Napięcie sieci NN w słoneczne popołudnie, podczas tzw. walki falowników

Utraty generowanej mocy możemy uniknąć na dwa sposoby

• instalując falownik sprzężony z akumulatorem (wówczas energia ze słońca będzie magazynowana w akumulatorze, gdy falownik nie jest w stanie "wepchnąć" jej do sieci NN),
• drugi sposób to sterowanie odbiornikami w naszym domu (grzałka w bojlerze) tak, aby obniżały napięcie, obciążając sieć. Można kupić gotowe przekaźniki z taką funkcją - fotografia 6. Zamiast przepadać, energia posłuży do ogrzania wody. Sposób ten bywa czasami zawodny, w przypadku słabej sieci o dużym zagęszczeniu fotowoltaiki może się zdarzyć, że grzałka to za małe obciążenia aby zbić napięcie w sieci. Testowałem ten sposób u siebie, często musiałem włączyć obciążenie większe niż moc własnej instalacji PV tak, aby zbić napięcie generowane przez instalacje PV sąsiadów.

Fotografa 6. Przekaźnik z funkcją załączania przy określonym napięciu (https://bit.ly/3AeGpDW)

Detekcja poważnych uszkodzeń

Zaraz po zamontowaniu instalacji w słoneczny dzień warto zweryfikować pracujące komponenty przy pomocy kamery termowizyjnej. Panel poważnie uszkodzony widać po wzroście temperatury o 10°C lub więcej. Na fotografii 7 pokazano panele z tzw. hot spotami - gdzie uszkodzone są pojedyncze ogniwa. Po więcej szczegółów odsyłam do [8]. Podobnie będzie ze złączami i okablowaniem, także okablowaniem baterii. Warto również monitorować stan instalacji okresowo, zawsze podczas pracy z mocą znamionową.

Fotografia 7. Obraz termowizyjny paneli PV z tzw. hot spotami - gdzie uszkodzone są pojedyncze ogniwa

Podsumowanie

Fotowoltaika to naprawdę ciekawa technologia, co do samej zasady działania stosunkowo prosta. A ponieważ energetyka jest kluczowa dla rozwoju cywilizacji, rozwój w tym kierunku wydaje się nieunikniony. Od samych początków upowszechniania się tej technologii - gdzieś od roku 2010 - ceny podzespołów w przeliczeniu na wat mocy malały. Pomimo że światowa sytuacja polityczno-gospodarcza od ponad 2 lat winduje ceny podzespołów instalacji PV, część wskaźników sugeruje, że sytuacja wróci w ciągu roku lub dwóch do typowej dla szybko rozwijających się technologii - ceny za kilowat mocy będą znowu spadać.

Wojciech Błędziński
wojtekb@mailplus.pl

Odnośniki:
[1] https://bit.ly/3ok3BxE
[2] https://bit.ly/3USfhnr
[3] https://www.openevse.com/
[4] https://forecast.solar/
[5] https://bit.ly/3LeISUV
[6] https://github.com/stuartpittaway/diyBMS
[7] https://bit.ly/3MY0BBy
[8] https://youtu.be/AK8xpVYY4U0