Jak obliczyć produkcję energii z instalacji fotowoltaicznj?

Bardzo precyzyjnie można obliczyć produkcję energii z instalacji fotowoltaicznej za pomocą programów komputerowych jednak często potrzebny jest w miarę precyzyjny szacunek bez zaprzęgania do pracy drogiego oprogramowania czy wykorzystywania skomplikowanych wzorów.

Gdzie:

- Nasłonecznienie - nasłonecznienie na powierzchnię horyzontalną (poziomą) można odczytać z map nasłonecznienia.

link do mapy

http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eu_cmsaf_hor/G_hor_PL.png

- wspKor - Współczynnik pozwalający przeliczyć dane o nasłonecznieniu na pochyloną powierzchnię generatora fotowoltaicznego (modułów fotowoltaicznych) z danych o nasłonecznieniu odczytanych z mapy, które są dla powierzchni horyzontalnej.

Tabela współczynników poziomo odchylenie od południa pionowo pochylenie modułów względem horyzontu 

 

- Moc modułów - moc nominalna modułów (generatora PV) wyznaczona w warunkach STC znajdująca się w karcie katalogowej.

- Nat prom. (STC) - natężenie promieniowania słonecznego, przy których testowane są moduły fotowoltaiczne, czyli 1000 W/m2 (1 kW/m2)

WW- współczynnik wydajności - Wskaźnik uwzględniający poziom strat na instalacji fotowoltaicznej obliczany jako 100% - poziom wszystkich strat.
Generalnie w instalacji fotowoltaicznej mamy do czynienia z następującymi stratami.

– straty na przewodach – ok. 1%,

– straty falownika  – ok. 3–7%,

– straty na modułach z uwagi na temperaturę – ok. 4–8% (cienkowarstwowe dolna granica z krzemu krystalicznego górna granica),

– straty z uwagi na pracę przy niskim natężeniu promieniowania słonecznego – ok.  1–3%,

– straty z uwagi na zacienienie, zabrudzenie – ok. 1–5% (w przypadku nieoptymalnych instalacji mogą być znacznie wyższe),

– straty wynikające z niedopasowania prądowego modułów – ok. 1% (w przypadku błędów wykonawczych czy posiadania uszkodzonego modułu w instalacji straty mogą być znacznie wyższe),

– straty na diodach bocznikujących – ok.0,5% .

Dla instalacji opartych na bardzo dobrych komponentach współczynnik wydajności wynosi ok 80–88% (górna granica jest możliwa do uzyskania jedynie dla większych instalacji zoptymalizowanych w każdym detalu. W praktyce poziom 85% uznaje się już za bardzo wysoki), w przypadku słabych komponentów współczynnik ten może spaść poniżej 75%.

Przykład:

- instalacja na dachu 10 kWp zlokalizowana w Krakowie

- dach 45 stopni odchylenie od południa 25 stopni   

- straty oszacowane na 17%

Z mapy odczytujemy nasłonecznienie, które dla Krakowa wynosi 1050 kWh/m2/rok

Z tabeli odczytujemy współczynnik korekcji nasłonecznienia na powierzchnię generatora PV kąt 45 stopni odchylenie od południa 25 stopni, co daje współczynnik = 1,10

Ilość wyprodukowanej energii:

 

Ogrzewanie wody za pomocą modułów fotowoltaicznych.

Z uwagi na coraz bardziej atrakcyjne ceny modułów fotowoltaicznych coraz więcej osób decyduje się na wykorzystanie systemu fotowoltaicznego do bezpośredniego ogrzewania ciepłej wody zamiast kolektorów słonecznych. Sam niedawno pisałem o zaletach tego systemu. Z uwagi że jest to pewna nowość na rynku od razu pojawiają się błędy i problemy. Dziś chciałbym odpowiedzieć na pytanie dlaczego nie powinno się zasilać grzałki bezpośrednio modułami fotowoltaicznymi. 

Podstawowym problemem jest tu dobór mocy urządzenia oraz bardzo nieefektywne wykorzystanie energii z modułów. Ten brak efektywności wynika z przeciążania modułów w przypadku słabszych warunkach oświetlania, co powoduje, że na modułach osiągamy prąd zbliżony do prądu zwarcia a napięcie spada do poziomu bliskiego 0 w skutek czego moduły generują zaledwie ułamek swojej mocy nominalnej. Sytuację tą najlepiej omówić na przykładzie. Rozważmy przypadek, w którym wykorzystujemy 5 modułów o mocy, 230 W każdy czyli o mocy łącznej 1150 W połączonych równolegle gdzie napięciem nominalnym generatora fotowoltaicznego będzie 30 V. System fotowoltaiczny będzie wykorzystany do bezpośredniego zasilania grzałki 24 V o mocy 900 W. W omawianym przypadku, gdy natężenie promieniowania słonecznego jest bardzo wysokie zbliżone do warunków, STC czyli 1000 W/m2 na naszej grzałce będzie wydzielać się ciepło o mocy ok. 1100 W. W takim przypadku moduły będą bardzo dobrze obciążane, moc generowana przez grzałkę będzie zbliżona do mocy maksymalnej możliwej do uzyskania przez masz system fotowoltaiczny (pole czerwone i zielone są zbliżone). Zastosowana grzałka musi być urządzeniem 24 woltowym z uwagi na napięcie i sposób połączenia modułów. Należy zaznaczyć, że moc generowana na grzałce jest wyższa od jej mocy nominalnej z uwagi na wyższe napięcie. Praca w takich warunkach odbije się na skróconej żywotności urządzenia jednak średnio zaledwie przez kilka % czasu pracy moc modułów fotowoltaicznych zbliża się do mocy nominalnej. Moc osiągana przez system fotowoltaiczny będzie zazwyczaj wahała się od 20 - 50 % mocy nominalnej. W takich sytuacjach w omawianym przypadku moc generowana na grzałce będzie znacznie niższa od teoretycznej możliwej do osiągnięcia (pole czerwone znacznie mniejsze od zielonego). Ten brak efektywności będzie wynikał z faktu, że moduły będą przeciążane z uwagi nie niewłaściwą rezystancję grzałki. Prąd będzie bliski prądu zwarcia, Isc a napięcie będzie spadać znacząco poniżej optymalnej wartości, czyli napięcia w punkcie mocy maksymalnej Vmpp przy bardzo niskim natężeniu promieniowania słonecznego np 200 W/m2 czyli nawet w lekko pochmurny dzień moc generowana na grzałce będzie stanowiła zaledwie ułamek mocy teoretycznej możliwej do osiągnięcia. Skutki takiego rozwiązania to bardzo nieefektywne wykorzystanie dostępnej mocy modułów oraz niska temperatura osiągana na grzałce. Z tego też powodu nie zaleca się stosowania bezpośredniego zasilania urządzeń prądu stałego modułami PV.

Rys. 1.                Charakterystyka prądowo - napięciowa 5 modułów 230 W połączonych równolegle z zaznaczonymi polami mocy maksymalnej - zielone pole oraz mocy generowanej na grzałce 900 W - czerwone pole. 

W celu ograniczenia strat i uniknięcia skrajnie nieefektywnej pracy modułów PV zasilanie urządzeń prądu stałego modułami PV powinno odbywać się poprzez regulator ładowania. 

PVT - hybrydowy moduł czym jest i czy warto zastosować

PVT od angielskich słów Photovoltaic Thermal to moduły fotowoltaiczne chłodzone cieczą w wyniku, czego urządzenie to produkuje zarówno ciepło jak i prąd. Z tego względu za pomocą jednej instalacji możliwe jest dostarczenie do budynku zarówno ciepła, jak i elektryczności. Zamiast dwóch osobnych instalacji, fotowoltaicznej do produkcji energii elektrycznej i kolektorów słonecznych do ogrzewanie ciepłej wody, na dachu instalowana jest jedna, co jest dużą zaletę w przypadku ograniczonego miejsca na montaż instalacji słonecznej. Chłodzenie ogniw cieczą pozwala także zwiększyć wydajność ich pracy w upalne dni.

Porównanie spadku wydajności klasycznego modułu PV i PVT

W upalne dni, gdy moduły w instalacji będą nagrzewać się do temperatury ponad 50 stopni zastosowanie chłodzenia w modułach PVT pozwala utrzymywać temperaturę na niższym poziomie, dzięki czemu wydajność elektryczna instalacji spada wolniej niż przypadku klasycznych modułów PV. W teorii rozwiązanie to wydaje się bardzo ciekawe i zasadne do stosowania. Niestety w praktyce rozwiązanie to nie pozwala na znaczące zwiększenie wydajności. Aby kolektor PVT pracował wydajnie musi utrzymywać temperaturę ogniw na niskim poziomie czyli 35 - 45 C. Bez chłodzenia moduły PV rzadko nagrzewają się do temperatur wyższych niż 50 C. Z kolei w budynkach mieszkalnych w okresie letnim zapotrzebowanie na niskotemperaturowe ciepło w postaci wody podgrzanej do 45C nie jest duże. Instalacje fotowoltaiczne często zajmują powierzchnię kilkunastu kilkudziesięciu m2, co sprawia, że w okresie lata pojawiają się problemy z odbiorem tak dużych ilości ciepła. Moduły hybrydowe nie posiadają selektywnego absorbera i tak dobrej izolacji cieplnej jak klasyczne kolektory słoneczne. Z tego też względu posiadają wyższe straty ciepła, a uzyskiwana z nich temperatura czynnika grzewczego jest niższa niż z kolektorów słonecznych. Należy mieć również na uwadze to, że część promieniowania słonecznego, zwłaszcza w paśmie widzialnym, jest wykorzystywana do produkcji energii elektrycznej i nie uczestniczy w produkcji ciepła. Można powiedzieć że moduły PVT to nie do końca trafione połączenie nie pozwalają na efektywną produkcję ciepła a w rzeczywistych warunkach pracy z uwagi na ograniczony rozbiór ciepła w budynku wydajność elektryczna w lecie często nie jest wyższa niż klasycznego modułu. 

 

Budynek w Zaberfeld na dachu zainstalowane kolektory hybrydowe o łącznej powierzchni 246 m2 źródło: solarhybrid

Czy systemy fotowoltaiczne wyprą kolektory słoneczne?

Spadek cen systemów fotowoltaicznych może w niedługim okresie - perspektywie 1 - 2 lat spowodować bardzo ciekawą sytuację na rynku systemów słonecznych. Koszt pozyskania energii cieplnej z instalacji fotowoltaicznej może być niższy niż z instalacji kolektorów słonecznych. W takiej sytuacji w wielu wypadkach skończy się zasadność montażu kolektorów skoro systemy fotowoltaiczne, które produkują bardziej użyteczny rodzaj energii, jaką jest prąd robią to w porównywalnej cenie. Już obecnie system fotowoltaiczny połączony z gałką elektryczną wpiętą w zasobnik może konkurować cenowo z droższymi instalacjami opartymi o kolektory próżniowe rurowe.

	Cena	Roczna produkcja  energii w kWh	Wskaźnik nakłady  inwestycyjne do  rocznej produkcji  energii
Zestaw pod klucz 2  kolektorów płaskich	12 000 zł	1800	6,67 zł
Zestaw pod klucz jednego  kolektora próżniowego  rurowego	10 500  zł	900	11,67 zł
Zestaw fotowoltaiczny do CWU
Panele fotowoltaiczne 1,5  kW	5 100 zł
Zasobnik 200l	2 200 zł
Regulator ładowania z mppt	1 500 zł
Przewody i zabezpieczenia	1 100 zł
Montaż	1 500 zł
Konstrukcja	1 275 zł
Suma	12 675 zł	1380	9,18 zł

Z uwagi na obecnie problemy proceduralne i brak ustawy o oze, która umożliwiłaby sprzedaż energii do sieci można wykorzystać instalację fotowoltaiczną do ogrzewania ciepłej wody gromadząc wyprodukowaną energię w zasobniku. Taki system oparty o moduły fotowoltaiczne o mocy 1,5 kW w raz z zasobnikiem 200 l można skompletować i zamontować za nieco ponad 12 000 zł. Biorąc za wskaźnik rentowności inwestycji stosunek ceny do rocznej produkcji energii. Taki system będzie produkował nieco drożej ciepło niż zestaw kolektorów płaskich jednak odnosząc go do zestawu opartego o kolektory próżniowe będzie konkurencyjny cenowo. System fotowoltaiczny przeznaczony do ogrzewania wody w stosunku do kolektorów słonecznych jest bardziej niezawodny i funkcjonalny nie ma problemu letnich przegrzewów czy kosztów wymiany glikolu, co kilka lat, a produkowane przez grzałkę ciepło niezależnie od pory roku będzie zawsze wysokotemperaturowe. Jeżeli ceny systemów fotowoltaicznych jeszcze spadną to przy kończącej się dotacji do kolektorów instalacje fotowoltaiczne mogą stać się realną alternatywą?

Instalacja paneli fotowoltaicznych a strefy zacienienia na dachu

Na blogu wielokrotnie wspominałem o konieczności unikania zacieniana paneli fotowoltaicznych przy projektowaniu instalacji fotowoltaicznych. Niestety w przypadku instalacji dachowych niema możliwości całkowitego uniknięcia okresowego zacienienia z uwagi na powszechnie występujące na dachach zacieniające elementy konstrukcyjne jak kominy, jaskółki, anteny itp. 

Strefy zacieniania na dachu skierowanym na południe

Projektując rozplanowanie modułów na dachu należy wziąć pod uwagę strefy zacienienia, które będą tworzone przez elementy konstrukcyjne. Na wschód i zachód od takiego obiektu rzucającego cień, w najbliższym sąsiedztwie będą rozciągać się strefy wysokiego zagrożenia cieniem (obszar pomarańczowy), w którym umieszczenie panelu będzie skutkowało ponad 10% spadkiem wydajności. W tej strefie bezwzględnie nie należy instalować paneli gdyż będą one powodowały wysokie straty wydajności w całej instalacji. Strefa umiarkowanego zagrożenia cieniem (obszar żółty), w którym umieszczenie panelu będzie skutkowało spadkiem wydajności od 2 - 5%. W tej strefie w przypadku braku wystarczającej powierzchni na dachu można montować panele. Ważne, jednak, aby panel w tej strefie był odpowiednio ustawiony (pionowo) celem zminimalizowania skutków zacienienia. Strefa niskiego zacienienia (obszar zielony). Strefa ta zajmuje często obszar większości połaci dachu. Straty wynikające z zacienienia w tej strefie są zazwyczaj poniżej 1% i jest to obszar, w którym instaluje się panele. W przypadku instalacji modułów na dachu, w którym będą występować zacienienia ważne, aby zastosowany inwerter posiadał mechanizm szukania globalnego punktu mocy maksymalnej w innym wypadku straty wynikające z zacienienia będą proporcjonalne do strat najbardziej zacienianego modułu.  W przypadku licznych zacienień na dachu warto rozważyć konfigurację instalacji w oparciu o mikroinwertery które w znaczącym stopniu ograniczają skutki zacienienia.

Strefy zacieniania na dachu skierowanym na południowy wschód

Strefy zacieniania na dachu skierowanym na południowy wschód

 Jeżeli budynek nie jest skierowany idealnie na południe elementy zacieniające na dachu będą rzucać cień bardziej na wschodnią lub zachodnią część dachu. W przypadku odchylenia południowej elewacji dachu w kierunku południowo wschodnim (SE). Bardziej zacieniana będzie część dachu na wschód od przeszkody (patrząc na wprost na dach strona prawa). W przypadku odchylenia południowej elewacji dachu w kierunku południowo zachodnim (SW). Bardziej zacieniana będzie część dachu na zachód od przeszkody (patrząc na wprost na dach strona lewa). 

W przypadku występowania elementów zacieniających na dachu oraz ograniczonej powierzchni montażu, które uniemożliwia znaczne odsunięcie modułów od stref zagrożonych cieniem, spadek wydajności poszczególnych modułów z uwagi na zacienienie warto przeanalizować w programie symulacyjnym, który wskaże poziom zacienienia poszczególnych modułów. 

Więcej o zacienieniach i optymalizacji instalacji w książce.  

quasi monokrystaliczne panele fotowoltaiczne.

Coraz większa liczba producentów wprowadza na rynek panele fotowoltaiczne zbudowane z ogniw quasi monokrystalicznych. Nowe ogniwa są hybrydą między znanymi od lat technologiami ogniw monokrystalicznych oraz polikrystalicznych. Z bliska ogniwo quasi monokrystaliczne w centralnej części zbudowane jest z monokryształu z kolei na bokach pojawiają się struktura polikrystaliczna.

Panel fotowoltaiczny quasi monokrystaliczny

Technologia produkcji quasi-mono kryształów posiada kilka ważnych zalet zwłaszcza z punktu widzenia producentów ogniw. Pozwala produkować ogniwa o parametrach wydajności zbliżonych do monokrystalicznych technologią podobną do produkcji krzemu polikrystalicznego, która jest znacznie tańsza i mniej energochłonna. Główną zaletą technologii quasi-mono jest to, że w przeciwieństwie do metody Czochralskiego produkcji monokryształów stosowany jest proces odlewania znany przy produkcji krzemu multikrystalicznego z tą różnicą, że na dno tygla dodawane są zarodki monokryształu i kontrolowana jest temperatura. Dzięki dokładnej kontroli pionowego gradientu temperatury wlewek krzem krystalizuje w dużej mierze w postaci monokryształu z pojawiającymi się kryształami na obrzeżach. Tu pojawia się kolejna zaleta dla producentów w stosunku do technologii monokrystalicznej. Wykrystalizowany krzem jest w postaci sześcianów, co pozwala bez większych strat ciąć je w kwadratowe ogniwa szczelnie wypełniające panel. W przypadku technologii monokrystalicznej kryształ krzemu jest w postaci walca, przez co ogniwa zazwyczaj wycinane są w wielokąty, aby ograniczyć straty materiału, ale takie ogniwa nie wypełniają szczelnie panelu, przez co zmniejsza się jego powierzchnia aktywna.

Z punktu widzenia konsumenta panele fotowoltaiczne quasimonokrystaliczne wydają się ciekawą ofertą. Pod względem sprawności dostępne obecnie modele często posiadają sprawność powyżej 16% (sprawność panelu) posiadają także niski temperaturowy współczynnik mocy często poniżej 0,4%/C co będzie przekładać się na wyższą wydajność w okresie letnim. Biorąc pod uwagę, że ceny paneli quasi mono są niższe od mono i nieznacznie wyższe od poli stanowią ciekawą alternatywę dla każdego inwestora szukającego wydajnych paneli w rozsądnej cenie.

Wydajność instalacji fotowoltaicznej

W polskich warunkach klimatycznych optymalnie zlokalizowana usytuowana i wykonana instalacja fotowoltaiczna jest w stanie wyprodukować rocznie nieco ponad 1 000 kWh z zainstalowanego kW mocy (STC). Zazwyczaj ten wskaźnik dla poprawnych instalacji oscyluje wokół 950 - 1025 kWh/kW w zależności od technologii wykorzystanych paneli fotowoltaicznych, inwertera i lokalizacji. W przypadku instalacji, do których budowy użyte zostały urządzenia o słabych parametrach (zwłaszcza inwerter i panele fotowoltaiczne) uzysk energii może spaść nawet poniżej 750 kWh/kW. Także niektóre moduły cienkowarstwowe zwłaszcza CIGS i a-Si dają nieco niższe uzyski. W ich przypadku optymalne instalacje osiągają w Polsce ok. 910 - 970 kWh/kW co często nie dyskwalifikuje ich z instalacji z uwagi na znacznie niższą cenę. Na uzysk energii wpływ ma także sposób montażu instalacji. Optymalne ustawienie to pochylenie paneli fotowoltaicznych 30-40 stopni na południe. Każde odchylenie od kierunku południowego oraz pochylenie poza wskazany zakres będzie skutkowało spadkiem produkowanej rocznie energii. Stosując te same komponenty najwyższy uzysk będą miały instalacje wolnostojące, które naturalnie będą schładzane przez swobodny przepływ powietrza. Montaż generatora fotowoltaicznego na dachu przy zachowaniu odstępów umożliwiających wentylację zmniejsza wydajność w stosunku do instalacji wolnostojącej o 2-5%. Z kolei brak wentylacji paneli na dachu jest powodem spadku wydajności o 7-10%. Z tego też powodu w przypadku systemów zintegrowanych z dachem ważne jest wykonanie kanałów wentylacyjnych lub zastosowanie paneli wykonanych z ogniw o możliwie niskim temperaturowym współczynniku strat mocy. 

Porównanie produkcji energii w poszczególnych miesiącach dla instalacji o mocy 10 kW zlokalizowanych w Krakowie pochylonej 35 stopni na południe.

Porównanie wydajności instalacji kWh/kW dla poszczególnych technologii. Instalacje wykonane z optymalnych komponentów dla danej technologii.

Powyższe zestawienie wyraźnie pokazuje, że uzyskanie wysokiej wydajności głównie zależy od parametrów komponentów głównie paneli fotowoltaicznych i inwertera a w znacznie mniejszym stopniu od technologii samych paneli. W przypadku analizy wykonanej dla 4 instalacji wykonanych z wykorzystaniem paneli z krzemu krystalicznego, amorficznego, CdTe i CIGS w przypadku wyboru urządzeń o dobrych parametrach różnice między najmniej wydajnymi w naszym klimacie panelami z krzemu amorficznego a najwydajniejszymi z CdTe wynosiła 5%. Z kolei analiza wykonana dla zestawu składającego się z inwertera i paneli o słabych parametrach przy tych samych założeniach usytuowania instalacji wykazała spadek produkowanej energii o 25%. (Analiza w oparciu o symulację w programie PVsol Expert).

Więcej informacji na temat wydajności instalacji fotowoltaicznych w przygotowywanej książce. Oraz na szkoleniach.