Fotowoltaika to dziedzina energetyki słonecznej. Pierwsze zjawisko
advertisement
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego oraz budżetu państwa w ramach Programu Operacyjnego Współpracy Transgranicznej Republika Czeska-Rzeczpospolita Polska 2007-2013 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 2.000 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 Moc z urządzenia najważniejszych elektrycznego parametrów określa, modułu ile energii jest jest jego to moc. 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). Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego oraz budżetu państwa w ramach Programu Operacyjnego Współpracy Transgranicznej Republika Czeska-Rzeczpospolita Polska 2007-2013 Z tego powodu została wprowadzona jednostka Watt Peak dot. mocy szczytowej, ten parametr oznacza wartość natężenia słonecznego wynoszącego 1000W/m2 w warunkach testowych tj. w temperaturze 25 stopni. 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 31 155 310 1550 Luty 44,2 222 444 2220 Marzec 84 420 840 4200 Kwiecień 108 541 1080 5410 Maj 115,6 578 1160 5780 Czerwiec 111,3 556 1110 5560 Lipiec 111,3 556 1110 5560 Sierpień 110,1 550 1110 5500 Wrzesień 85,8 429 858 4290 Październik 59,5 298 596 2980 Listopad 35,1 175 351 1750 Grudzień 26 130 261 1300 Rocznie 922 4610 9220 46100 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 Warto zaznaczyć, że w projektach ustawy, proponuje się 1,10 zł za 1 kWh. w skali roku. Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego oraz budżetu państwa w ramach Programu Operacyjnego Współpracy Transgranicznej Republika Czeska-Rzeczpospolita Polska 2007-2013 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: http://www.eborx.com/index.php?p=4&s=3 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. Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego oraz budżetu państwa w ramach Programu Operacyjnego Współpracy Transgranicznej Republika Czeska-Rzeczpospolita Polska 2007-2013 Tabela 2. Opis instalacji typu „off-grid” i „on-grid”. Instalacje „off grid „ Instalacje “on grid” Instalacje "off grid" inaczej zwane "wyspowe" nie wymagają podłączenia do sieci elektroenergetycznej w ich skład wchodzą: 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, - 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, -elementy zabezpieczające : zabezpieczenia nadnapięciowe i nad prądowe oraz wyłącznik ppoż. po stronie napięcia stałego i zmiennego - elementów zabezpieczających (wyłącznik ppoż. po stronie DC i AC , zabezpieczenia nadprądowe i nadnapięciowe), -instalacja odgromowa, -elementy dodatkowe : system monitoringu oraz nadzór nad prawidłową instalacją. - elementy dodatkowe takie jak nadzór podczas instalacji oraz system monitoringu, - wykonanie instalacji odgromowej. 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. Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego oraz budżetu państwa w ramach Programu Operacyjnego Współpracy Transgranicznej Republika Czeska-Rzeczpospolita Polska 2007-2013 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 gospodarczych. Większe instalacje, z mieszkalnych lub racji zajmowanej powierzchni, będą musiały być instalowane bezpośrednio na gruncie Na (instalacje wyjściu z paneli PV odbierany wolnostojące). 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. Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego oraz budżetu państwa w ramach Programu Operacyjnego Współpracy Transgranicznej Republika Czeska-Rzeczpospolita Polska 2007-2013 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: 1416%. 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. Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego oraz budżetu państwa w ramach Programu Operacyjnego Współpracy Transgranicznej Republika Czeska-Rzeczpospolita Polska 2007-2013 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 30-40 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 30-40 lat. Generalnie elektrownia fotowoltaiczna nie potrzebuje znaczących usług konserwujących, a awarię zdarzają się bardzo rzadko. Inwertery mogą wymagać wymiany po 10-15 latach (z przyczyn ich naturalnego zużycia). Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego oraz budżetu państwa w ramach Programu Operacyjnego Współpracy Transgranicznej Republika Czeska-Rzeczpospolita Polska 2007-2013 Tabela 3. Opis parametrów paneli PV. Maximum power Moc Wartość ta podaje maksymalną moc osiągalną przez fotoogniwo. (Pmax) maksymalna Taka moc jest dostępna w standardowych warunkach testu (STC 2 moc promieniowania słonecznego 1000W/m , gęstość spektrum AM 1,5, temperatura ogniwa 25oC). Tolerance Tolerancja Producent zastrzega sobie, że o tyle może różnić się faktyczna wydajności wartość mocy maksymalnej Maximum Power Napięcie mocy Jest to napięcie osiągalne w momencie, gdy panel będzie pracował Voltage (Vmp) maksymalnej z mocą maksymalną. Maximum Power Natężenie prądu Jest to natężenie prądu osiągalne, gdy panel pracuje z mocą Current (Imp) mocy maksymalną. maksymalnej Open Circuit Napięcie jałowe Voltage (Voc) Short Circuit podłączony do żadnego obciążenia. Prąd zwarciowy Current (Isc) Module Efficiency Czyli napięcie osiągalne w sytuacji, kiedy moduł nie jest Natężenie prądu płynącego przy zwarciu ogniwa (czyli w chwili maksymalnego obciążenia) Sprawność Jest to procent energii słonecznej, jaką panel jest w stanie panelu 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. Solar Cell Sprawność Jest to sprawność, jaką ma pojedyncze ogniwo wchodzące w skład Efficiency pojedynczego modułu. ogniwa Maximum system Maksymalne Wartość ta oznacza maksymalne napięcie, z jakim mogą pracować voltage napięcie połączone szeregowo panele. systemu Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego oraz budżetu państwa w ramach Programu Operacyjnego Współpracy Transgranicznej Republika Czeska-Rzeczpospolita Polska 2007-2013 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. Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego oraz budżetu państwa w ramach Programu Operacyjnego Współpracy Transgranicznej Republika Czeska-Rzeczpospolita Polska 2007-2013 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.
