Artykuł: Jak działa instalacja fotowoltaiczna?

Jak działa instalacja fotowoltaiczna?

Prąd z inwertera ma nieznacznie większą częstotliwość co powoduje „wypychanie” prądu z sieci i wykorzystanie w pierwszej kolejności prądu z instalacji PV. Nadmiar prądu, którego w danej chwili nie wykorzystujemy jest „odsprzedawany” poprzez licznik dwukierunkowy. Jeżeli wykorzystujemy więcej prądu niż produkujemy niedobór jest „dobierany” z sieci publicznej.

Jak działa licznik dwukierunkowy?  

Licznik dwukierunkowy zlicza energię elektryczną wyprodukowaną w instalacji PV oraz pobraną z sieci. Przy rozliczeniu energii elektrycznej netto (net metering) różnica pomiędzy energią elektryczną zużytą i wprowadzoną do sieci ,będzie rozliczana w okresie półrocznym. 

Czy potrzebna jest modyfikacja instalacji elektrycznej przy montażu systemu fotowoltaicznego?

Nie jest potrzebna zmiana instalacji elektrycznej. System PV wpinamy do już istniejącej instalacji, najczęściej w skrzynkę rozdzielczą. Funkcjonalność sieci elektrycznej jest zachowana z tą różnica, że posiadamy dodatkową mikroinstalację do produkcji prądu. W zależności od inwertera (jednofazowy, trójfazowy) zasilamy jedną bądź trzy fazy. Rozróżniamy dwa rodzaje systemów solarnych - sieciowy oraz autonomiczny.

Opis najnowszych oraz w pełni komercyjnych rozwiązań technologicznych stosowanych do produkcji paneli fotowoltaicznych

Moduł fotowoltaiczny to podstawowy element budowy elektrowni fotowoltaicznej. Zadaniem modułu fotowoltaicznego jest zamiana energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną w postaci prądu stałego. Ze względu na technologię i budowę moduły fotowoltaiczne dzielimy na cienkowarstwowe i klasyczne z krzemu krystalicznego.

 

Moc modułu zależy od ilości, mocy i czułości spektralnej wbudowanych w niego ogniw oraz od powierzchni czynnej modułu. Ogniwa znajdują się pomiędzy dwoma foliami EVA lub TPO zabezpieczającymi przed działaniem czynników zewnętrznych. Od strony zewnętrznej dodatkową warstwę ochronną stanowi tafla niskożelazowego, hartowanego szkła. Struktura szkła poprawia przepuszczalność fotonów promieniowania słonecznego, minimalizując odbicie promieniowania słonecznego od szkła. Folia tylna kompozytowa ma za zadanie zwiększenie odporności modułu na warunki atmosferyczne i uszkodzenia mechaniczne. Moduł zabudowany jest w ramie aluminiowej.

PERC – nowy standard technologii ogniw PV

            PERC jest coraz częściej adaptowaną technologią przez wszystkie fabryki PV na świecie i według prognoz, ogniwa PERC staną się niedługo podstawowym standardem fotowoltaicznym na światowym rynku. 

Foto: FreeVolt Foto: FreeVolt

W konwencjonalnym ogniwie fotowoltaicznym, cała dolna powierzchnia płytki krzemowej pokryta jest aluminiową warstwą. W technologii PERC najpierw pokrywa się tył płytki krzemowej specjalną warstwą dielektryka (izolatora), która pokryta jest otworami wyciętymi przy pomocy lasera. Następnie na dielektryk nakłada się warstwę metalizacyjną w postaci aluminium, dzięki czemu, płytka krzemowa kontaktuje się z metalizację tylko poprzez mikroskopijne otwory

Technologia PERC zwiększa ogólną wydajność panelu PV poprzez polepszenie zdolności absorbcji światła przez ogniwa. Zwykłe ogniwo słoneczne składa się z dwóch warstw krzemu, które charakteryzują się różnymi właściwościami elektrycznymi – określa się je jako „bazę” i „emiter”. W miejscu styku obu warstw tworzy się silne pole elektryczne, gdzie ujemnie naładowane cząstki (elektrony) są przyciągane w kierunku emitera. Elektrony uwalniane są z atomów krzemu poprzez padające fotony światła słonecznego. Elektrony następnie wędrują w kierunku emitera i jeśli dotrą do jego powierzchni, to zostaną one częścią wytworzonego prądu elektrycznego

Różne długości fali światła generują elektrony na różnych poziomach struktury ogniwa, krótsze długości fali (światło niebieskie) wytworzy więcej elektronów bliżej powierzchni ogniwa, natomiast dłuższe długości fali (światło czerwone) uwolnią elektrony w tylnej części ogniwa lub wręcz przejdą przez całą płytkę nie wytwarzając w ogóle prądu.

Technologia PERC zwiększa efektywność ogniwa dzięki warstwie dielektryka, który odbija każde światło docierające do dolnej warstwy płytki bez wygenerowania elektronu z powrotem w głąb ogniwa. Poprzez to odbicie, fotony w zasadzie, mają drugą szansę na wytworzenie prądu

Dodatkowy uzysk z ogniw PERC powstaje dzięki lepszej zdolności chwytania światła w dłuższych długościach fali, na przykład, gdy słońce jest pod kątem (wczesne poranki i wieczory) lub podczas zachmurzenia. W takich sytuacjach, więcej niebieskiego światła (długość fali pomiędzy 450 do 495 nm) jest absorbowana przez atmosferę, gdyż musi ono pokonać większą odległość do powierzchni Ziemi, niż wtedy gdy Słońce znajduje się bezpośrednio nad naszymi głowami. Niebieskie światło generalnie jest konwertowane na energię górnej części ogniwa, natomiast czerwone światło (długość fali pomiędzy 620 a 750 nm) penetruje głębiej płytkę krzemową i zamieniane jest na prąd na jej dnie. Światło czerwone trudniej jest absorbowane przez ziemską atmosferę i dlatego, ogniwa, które wyłapują więcej światła czerwonego są wydajniejsze. „Odbijające” właściwości technologii PERC umożliwiają zwiększoną absorbcję czerwonego światła, nawet w słabym lub rozproszonym świetle, dostarczając lepsze uzyski energetyczne.

Długości fali powyżej 1180 nm nie są pochłaniane przez płytkę krzemową. Zamiast tego, w standardowych ogniwach, takie długości fali są ledwie absorbowane na tylnej metalizacji, wytwarzając ciepło, które podnosi temperaturę ogniwa, tym samym redukując efektywność konwersji. Jako że, warstwa PERC odbija światło z powrotem przez ogniwo i poza panel, zmniejsza absorbcję na warstwie aluminiowej metalizacji, co ogranicza nagrzewanie się ogniwa fotowoltaicznego. Ta redukcja absorbcji umożliwia pracę ogniwa w niższych temperaturach, co ma zdecydowanie pozytywny efekt na uzysk energetyczny. Technologia PERC zwiększa absorpcję światła podczerwonego (długość fali pomiędzy 1000 a 1180 nm) co objawia się wyższą wartością prądu i efektywnością ogniwa. Technologia PERC przeciwdziała pochłanianiu elektronów przez tylną powierzchnię, co zwięszka napięcie uzyskanego prądu z ogniwa PV.

             60-cio ogniwowe panele fotowoltaiczne z PERC wytwarzają o 4 Wp więcej w porównaniu do standardowych paneli. Dzięki tej technologii, możliwe jest produkowanie paneli o mocy do 275 Wp, które wciąż oparte są na taniej platformie z krzemu polikrystalicznego.

             Biorąc pod uwagę zwiększoną wrażliwość na różne długości fali światła i na zwiększoną zdolność wyłapywania elektronów, ogniwa z technologią PERC, lub bardziej dokładnie, panele z ogniwami PERC, umożliwiają większy uzysk energetyczny w ciągu całego dnia w porównaniu do tych ze standardowymi ogniwami. Większy uzysk energetyczny równa się większej stopie zwrotu z instalacji solarnej.

Wykorzystanie technologii PERC pozwala na zredukowanie ogólnego bilansu kosztu systemu oraz zwiększa uzysk energii z określonej powierzchni.

Smart Wire – nowy standard łączenia ogniw

             W związku z dużym postępem w technologiach produkcji ogniw fotowoltaicznych i związana z tym wyraźnie rosnąca wydajnością ogniw, tradycyjna architektura modułu PV staje się powoli ograniczeniem dla zwiększenia jego wydajności a nawet może z czasem zwiększyć koszty produkcji poprzez niekompatybilność dotychczasowych technologii produkcji z innowacyjnymi ogniwami nowej generacji.

             Koncepcja modułu PV w technologii SmartWire polega na matrycy połączeń ogniw fotowoltaicznych która jest kompatybilna ze wszystkimi rodzajami ogniw krzemowych takimi jak zwykle ogniwa z krzemu krystalicznego, ogniwa z selektywnie zoptymalizowaną warstwą emitera i pasywacja tylną łącza (PERC) jak i nowej generacji ogniwa hybrydowe typu HIT na bazie krzemu typu P oraz typu N. Ta innowacyjna technologia ma na celu zniesienie ograniczeń standardowej architektury modułu i ogniwa fotowoltaicznego opartej na tzw. “bus bar architecture” a zamiast tego wprowadzenie nowej generacji matrycy ogniw fotowoltaicznych zespolonych za pomocą zewnętrznej sieci miedzianych mikro-włókien bez konieczności lutowania ogniw i wstążek wykonanych ze stopu srebra, miedzi i aluminium jak ma to miejsce w dotychczasowym procesie produkcji paneli dziś. Dodatkowo SmartWire ma umożliwić znaczną oszczędność drogich surowców wykorzystywanych dotychczas w produkcji typowych ogniw krystalicznych, jak na przykład prawie 80% mniejsze zużycie srebra w produkcji standardowych ogniw krystalicznych.

Foto: FreeVolt Foto: FreeVolt

Dzięki tej innowacji finalny produkt, czyli panel PV, będzie w stanie wyprodukować więcej kWh z każdego zainstalowanego kWp ponieważ nowa architektura matrycy fotoelektrycznej wprowadza kilka przełomowych usprawnień związanych z funkcjonowaniem modułu PV w warunkach rzeczywistych. 

Jak działa technologia SmartWire

Technologia matrycy fotoelektrycznej teoretycznie kompatybilna z wszystkimi typami standardowych ogniw krystalicznych oraz nowych ogniw hybrydowych które są dziś znane i stosowane na świecie. Posiada ona potencjał zmniejszenia kosztów produkcji dzięki wykorzystaniu prawie 80% mniej srebra w ogniwach krystalicznych bez strat na ich mocy i przy maksymalnej wydajności energetycznej modułu. Ponadto, otwiera drzwi dla przyszłych potencjalnych oszczędności na etapie produkcji ogniw fotowoltaicznych, takich jak: zmniejszona do 10 mikrometrów grubości siatki połączeń w ogniwach, zmniejszona do 100 mikrometrów grubość ogniwa, czy wyeliminowanie indu w procesie produkcji. Jedną z najważniejszych cech technologii SmartWire jest jednak możliwość łączenia ogniw w matrycę fotoelektryczną w bardzo niskich temperaturach oraz w konsekwencji przy bardzo małym stresie mechanicznym na ogniwa co otwiera duże możliwości dla konwersji ogniw hybrydowych polegających na łączeniu technologii typu thin-film z technologią krzemu krystalicznego.

 Żywotność i trwałość instalacji fotowoltaicznych.

Żywotność paneli fotowoltaicznych zależy od rodzaju zastosowanej technologii. Wśród dostępnych na rynku najbardziej trwałe są ogniwa z krzemu monokrystalicznego, których czas pracy określono na 25 lat. Najmniej trwałe są ogniwa wykonane z krzemu amorficznego – ich trwałość określa się na 8 do 10 lat. Rzeczywista wydajność urządzeń uzależniona jest w znacznym stopniu od szerokości geograficznej i kąta padania promieni słonecznych.

W odróżnieniu od innych źródeł, w instalacji PV nie ma elementów ruchomych, jest to czynnikiem decydującym o trwałości instalacji. Producenci paneli fotowoltaicznych gwarantują spadek wydajności po 25 latach eksploatacji, nie większy jednak niż 15%.

Producenci paneli fotowoltaicznych oferują zazwyczaj gwarancję na sam produkt oraz na zachowanie określonej mocy. W wypadku gwarancji na panele, wynosi ona najczęściej 10 lat. Dla porównania, gwarancja oferowana przez producentów małych turbin wiatrowych wynosi tylko 3-5 lat. Systemy fotowoltaiczne to instalacje pozbawione części ruchomych, zatem bezawaryjne i bardzo trwałe. Szacuje się, że panele są w stanie efektywnie produkować prąd przez co najmniej 30 lat. Brytyjscy specjaliści podają, że obecnie uruchamiane instalacje fotowoltaiczne obecnie będą mogły działać 40-50 lat.

Z czasem dochodzi do spadku mocy modułów, jednak jest to proces który może mieć miejsce tylko w założonych przez producenta granicach. Zjawisko to następuje równomiernie zgodnie z liniowym wykresem. Po 25 latach panele fotowoltaiczne pracują z mocą równą co najmniej 80% mocy początkowej, co jest gwarantowane przez producentów. W praktyce, okazuje się, że ogniwa są w stanie zachować nawet o kilka procent wyższą sprawność. Odnosząc się do badań Centre for Alternative Technologies, wykazano, że sprawność paneli fotowoltaicznych zamontowanych w Szwajcarii w 1982 roku spadała rocznie tylko o 0,2%, podczas gdy spodziewano się spadku o 0,5% rocznie.

Obecnie, oprócz rozbudowanych testów laboratoryjnych, możemy bazować na instalacjach zainstalowanych wiele lat temu, które nadal z powodzeniem produkują prąd elektryczny. Zaczęły one pracę w latach 80-tych XX wieku, a trzeba zaznaczyć, że były to dopiero początki fotowoltaiki. Obecna technologia pozwala tworzyć ogniwa, które charakteryzują się dużo większą odpornością na czynniki zewnętrzne, więc z pewnością będą one pracowały jeszcze dłużej i wydajniej.

Falowniki to urządzenia, które mają ogromny wpływ na efektywność pracy instalacji. Wybór falownika sprawdzonego wytwórcy będzie gwarancją prawidłowego funkcjonowania systemu fotowoltaicznego. Większość producentów dobrych falowników przeznaczonych do instalacji fotowoltaicznych przewiduje 5-letnią gwarancję na swoje produkty, jednak producenci najlepszych falowników udostępniają klientom możliwość przedłużenia gwarancji za niewielką opłatą, ponieważ są pewni bezawaryjności swoich produktów. Cenieni producenci przeprowadzają testy falowników pod kątem odporności na skrajną temperaturę i inne czynniki atmosferyczne. W praktyce zatem, dobry i odpowiednio eksploatowany falownik może pracować 10 - 15 lat.

Najważniejsze uwarunkowania związane z prawidłowym zaprojektowaniem i eksploatacją instalacji fotowoltaicznej

Opracowanie koncepcji i analiza opłacalności to dla inwestora kluczowy etap budowy instalacji fotowoltaicznej. Przy małym zaangażowaniu środków pozwala na ocenę potencjału finansowego inwestycji i ocenę ryzyka. Na podstawie projektu koncepcyjnego inwestor podejmuje decyzję o rozpoczęciu inwestycji.

Inwestor powinien dokładnie określić założenia projektowe i wymagania jakie musi spełniać instalacja. Dokładna analiza potrzeb pozwoli najlepiej zoptymalizować przyszłą instalację. Dzięki takiemu podejściu do inwestycji możemy zaoszczędzić czas i pieniądze.

Projekt i budowa instalacji są konsekwencją wyborów i decyzji podjętych na etapie opracowania koncepcji. Gwarancją powodzenia inwestycji jest przeprowadzenie tego etapu rzetelnie i prawidłowo.

Projekt koncepcyjny zawiera:

1. Rozpoznanie potrzeb oraz założeń inwestycji - rozmowa z inwestorem.

2. Wizję lokalną miejsca budowy przyszłej instalacji - dokumentacja fotograficzna.

3. Analizę stanu prawnego i technicznego miejsca instalacji - możliwość przyłączenia do sieci

4. Dostawców komponentów

5. Rachunek rocznego uzysku energii i współczynnika wydajności

6. Analizę ekonomiczną

    Oprogramowanie wykorzystywane do symulacji pracy systemu fotowoltaicznego umożliwia analizę pracy instalacji w zadanych warunkach pracy. Modelowanie otoczenia instalacji w trójmiarze pozwala na analizę zacieniowania modułów, co przekłada się na wyeliminowanie błędnego działania instalacji.  Program do obliczeń uzysku energetycznego z instalacji wykorzystuje aktualne dane z najbliższej stacji metrologicznej. Oprogramowanie umożliwia szybkie zbadanie efektów działania wielu wariantów systemu, w różnych konfiguracjach sprzętowych.

Najważniejszym wynikiem symulacji jest:

• Roczny uzysk energii z instalacji

• Sprawność całego systemu

• Współczynnik wydajności PR

     Wyniki symulacji - uzysk energetyczny i analiza ekonomiczna, są tak dokładne jak model matematyczny zaimplementowany w programie. Niepewność symulacji rocznego uzysku energii zależy od niepewności zmiennych wejściowych, których nie można przewidzieć z dużą dokładnością  tj. zmiany pogody, zabrudzenia modułów, zanieczyszczenie powietrza. Te nieprzewidywalne zmienne mogą wpłynąć na uzysk energetyczny wprowadzając różnicę sięgającą -15%  do +15% od obliczonej wartości.

   Zadaniem projektanta jest zaprojektowanie elektrowni, która maksymalizuje zyski finansowe, poprzez zmniejszenie całkowitych strat przetwarzania i przesyłu energii. Zwiększenie rocznego uzysku energii, a tym samym dochodów, może zwiększyć koszt elektrowni. Wysiłki zmierzające do zmniejszania strat jednego rodzaju mogą oddziaływać na zwiększenie strat innego rodzaju. Projektant podejmuje kompromisy, które maja na celu uzyskanie wysokiego współczynnika wydajności instalacji w rozsądnej cenie.

Eksploatacja obejmuje szeroki zakres usług niezbędnych do zapewnienia funkcjonowania instalacji fotowoltaicznej. Obsługa i konserwacja  obejmuje niezbędne czynności do tego, aby elektrownia pracowała z maksymalną wydajnością.

W porównaniu do większości innych technologii wytwarzania energii, instalacje fotowoltaiczne mają niskie wymagania w zakresie konserwacji i obsługi. Jednakże, konieczna jest diagnostyka, aby utrzymać wydajność na założonym poziomie i zadeklarowaną żywotność systemu.

Źródło: FreeVolt

Czytaj także