Budowa instalacji fotowoltaicznej: Od modułu do zasilania Icon

Budowa instalacji fotowoltaicznej: Od modułu do zasilania

Wprowadzenie: Od modułu słonecznego do instalacji solarnej

Termin „instalacja solarna" obejmuje zarówno instalacje fotowoltaiczne, jak i solarne instalacje termiczne. Instalacje fotowoltaiczne, w skrócie PV, przekształcają promienie słoneczne w energię elektryczną, podczas gdy instalacje solarne termiczne produkują energię cieplną. W tym artykule skupimy się na instalacjach PV.

Po omówieniu w poprzednim artykule Od fotonu do wolta: Jak działa ogniwo słoneczne? działania pojedynczego ogniwa słonecznego, teraz przyjrzymy się, jak z pojedynczych ogniw powstaje pełnowartościowa instalacja solarna.

Od ogniwa do farmy

Hierarchia instalacji fotowoltaicznej jest jasno zdefiniowana:

  • Ogniwo słoneczne → Moduł: Kilka ogniw jest elektrycznie połączonych i mechanicznie osadzonych w ramie
  • Moduł → String: Moduły są połączone szeregowo, aby osiągnąć wymaganą napięcie dla inwertera
  • String → Instalacja: Kilka stringów zasila jeden lub więcej inwerterów
  • Instalacja → Farma: Wiele instalacji tworzy park solarny

Już pojedynczy moduł solarny lub string może być uznany za pełnowartościową instalację solarną – na przykład w przypadku instalacji balkonowych.

Hierarchia od ogniw słonecznych do modułów, stringów i instalacji

Jednak układ ogniw i modułów słonecznych to tylko połowa obrazu. Do funkcjonowania instalacji potrzebne są również:

  • Uchwyty i systemy montażowe
  • Kable i puszki przyłączeniowe
  • Elektronika mocy (inwertery, MPPT)
  • Opcjonalnie: magazyny energii
  • Liczniki energii i systemy monitorowania

Montaż i systemy mocowania

Moduły solarne mogą być montowane w wielu miejscach:

Zastosowania prywatne

  • Dachy domów (dachy skośne lub płaskie)
  • Garaże i wiaty
  • Instalacje balkonowe
  • Fasady

Zastosowania komercyjne i przemysłowe

  • Hale fabryczne i budynki biurowe
  • Instalacje na otwartych przestrzeniach (parki solarne)
  • Agri-PV (połączenie z rolnictwem)

Rodzaje mocowania

Stałe mocowanie:

  • Moduły są nieruchome na dachach lub otwartych przestrzeniach
  • Geometria związana z budynkiem lub uchwytami
  • Proste, tanie, mało wymagające w utrzymaniu
  • Standardowe rozwiązanie dla większości zastosowań

Mocowanie z trackingiem:

  • Moduły śledzą ruch słońca w ciągu dnia
  • Ruch za pomocą silników elektrycznych lub hydrauliki
  • Możliwość zwiększenia wydajności o 15–35%
  • Wyższe koszty i wymagania dotyczące konserwacji
  • Ekonomiczne głównie w dużych instalacjach

Dla wszystkich rodzajów montażu obowiązują: wytrzymałość, obciążenie wiatrem i w przypadku budynków statyka dachu decydują o wyborze uchwytu.

Ścieżka prądu: Od modułu do gniazdka

Ścieżkę prądu solarnego można podzielić na pięć głównych kroków:

1. Generacja DC

Moduły solarne przekształcają światło słoneczne w prąd stały (DC). Wytwarzane napięcie zależy od liczby ogniw połączonych szeregowo.

2. MPPT i optymalizacja DC

Tracker maksymalnego punktu mocy (MPPT) ciągle dostosowuje napięcie robocze, aby uzyskać maksymalną moc z modułów. Jest to szczególnie ważne przy zmieniającym się zachmurzeniu lub częściowym zacienieniu.

3. Konwersja AC

Inwerter przekształca prąd stały w prąd zmienny zgodny z siecią:

  • 230 V jednofazowy dla małych instalacji
  • 400 V trójfazowy dla większych instalacji

4. Zasilanie lub zużycie

Prąd zmienny płynie do odbiorników domowych, magazynu energii lub do sieci publicznej.

5. Pomiar i rozliczenie

Liczniki energii rejestrują pobór i zasilanie dla rozliczeń i zarządzania energią.

Ścieżka prądu od modułu solarnego przez inwerter do sieci domowej

Integracja baterii: AC vs. DC

Instalacje solarne z zainstalowaną baterią posiadają bufor energii. Dzięki inteligentnej elektronice ładowania, prąd może być przechowywany zgodnie z potrzebami. Pochmurne dni są przetrzymywane, a słoneczne dni wykorzystywane do ładowania.

Systemy z połączeniem AC

  • Inwerter znajduje się bezpośrednio za modułami
  • Bateria jest ładowana i rozładowywana prądem zmiennym (AC)
  • Dodatkowa konwersja AC/DC dla baterii jest konieczna
  • Łatwa modernizacja istniejących instalacji
  • Nieco niższa ogólna wydajność z powodu podwójnej konwersji

Zalety: Elastyczność w instalacji, niezależność od inwertera PV, łatwa modernizacja

Systemy z połączeniem DC

  • Bateria jest podłączona bezpośrednio do ścieżki DC modułów solarnych
  • Ładowanie i rozładowywanie bez pośredniej konwersji AC
  • Dopiero dla sieci domowej następuje konwersja na AC
  • Wyższa ogólna wydajność

Zalety: Mniejsze straty konwersji, lepsza efektywność przy zużyciu własnym

Porównanie systemów z połączeniem AC i DC Porównanie systemów z połączeniem AC i DC

Pomiar prądu i typy liczników

Dla komunikacji między instalacją solarną, baterią a siecią wymagana jest kompleksowa regulacja instalacji. Podstawą są dane pomiarowe liczników energii.

Liczniki jednokierunkowe

Mierzą przepływ prądu tylko w jednym kierunku:

  • Licznik zużycia: Prąd z sieci do gospodarstwa domowego
  • Licznik zasilania: Prąd z instalacji PV do sieci
  • Licznik produkcji: Całkowita produkcja energii przez instalację

Liczniki dwukierunkowe

Rejestrują pobór i zasilanie równocześnie w jednym urządzeniu. Łączą funkcje licznika zużycia i zasilania.

Smart-Meter

Najnowocześniejsza wersja:

  • Cyfrowy pomiar i komunikacja
  • Możliwość przesyłania danych w czasie rzeczywistym
  • Podstawa dla zarządzania energią i zmiennych taryf
  • Komunikacja przez bramkę Smart-Meter

Profile obciążenia i stopień autarkii

Profile dzienne w gospodarstwie domowym znacznie się różnią:

  • Rano: Niskie zużycie (ludzie w pracy), niska produkcja (niski kąt padania słońca)
  • Południe: Niskie obciążenie, maksymalne zyski solarne → Bateria się ładuje
  • Wieczór: Wysokie zużycie (gotowanie, TV, ogrzewanie), brak produkcji → Bateria się rozładowuje

Aby osiągnąć wysoki stopień autarkii, muszą być spełnione trzy czynniki:

  1. Produkcja (kWp): Ile może dostarczyć instalacja maksymalnie?
  2. Magazyn (kWh): Ile energii można zbuforować?
  3. Zużycie (kWh/rok): Ile prądu potrzebuje gospodarstwo domowe?

Profil dzienny produkcji i zużycia energii w gospodarstwie domowym

Podsumowanie: Jak prąd trafia do gniazdka

Krótka wersja: Instalacja solarna na pierwszy rzut oka wydaje się prosta, ale wiele technicznych szczegółów pokazuje jej złożoność. Ogniwo słoneczne generuje prąd stały, MPPT optymalizuje napięcie dla maksymalnej mocy, a w zależności od koncepcji instalacji prąd płynie do baterii i/lub do inwertera. Liczniki energii rejestrują wszystkie przepływy dla regulacji i rozliczeń, zanim prąd zmienny trafi do gniazdka lub do sieci publicznej.

Następnie: AC/DC w PV: Inwertery i konwersja prądu

Źródła