Budowa i rodzaje instalacji fotowoltaicznej

Instalacji fotowoltaiczna może być połączona z siecią elektroenergetyczną (tzw. Instalacji on grid- na sieć), może również pracować  w sposób wydzielony, wyspowy  (off grid- poza siecią), tj. dostarczać prąd tylko do sieci domowej, nie jest połączona z zewnętrzną siecią. Instalacja fotowoltaiczna połączona z siecią może dostarczać prąd zmienny na potrzeby pracy urządzeń domowych, a w przypadku nadwyżki energii dostarczać ją do sieci elektroenergetycznej. Instalacji wyspowa, nie posiada połączenia z siecią elektroenergetyczną. W tym przypadku nadwyżki energii elektrycznej są magazynowane w akumulatorach w celu jej późniejszego wykorzystania (np. wieczorem). Ze względu na konieczność stosowania akumulatorów, i późniejszego ich serwisowania, instalacji off grid jest znacznie droższa od instalacji on grid. W skład instalacji fotowoltaicznych wchodzą: •    Moduły fotowoltaiczne- zamieniają energię promieniowania słonecznego na energię prądu elektrycznego •    Inwerter (przekształtnik) prądu stałego produkowanego w ogniwach fotowoltaicznych na prąd zmienny o parametrach zgodnych z prądem z sieci elektroenergetycznej •    Bateria akumulatorów- jest niezbędny w przypadku sieci wydzielonych i służy do magazynowania wyprodukowanej energii •    Regulator ładowania- odpowiada za kontrolę ładowania i rozładowania akumulatorów •   Licznik energii elektrycznej- niezbędny jest w przypadku instalacji on grid, gdzie istnieje konieczność zliczenia energii dostarczeni i odebranej z sieci elektroenergetycznej Przykładowy schemat instalacji fotowoltaicznej

Koszty produkcji energii z fotowoltaiki

Baterie słoneczne to niewątpliwie czyste źródło energii elektrycznej jednak ten sposób produkcji energii nie jest tani. W porównaniu do kosztów produkcji energii z paliw kopalnych fotowoltaikę ciągle dzieli przepaść. Jednak na rynku od lat obserwujemy dynamiczne zmiany na korzyść produkcji energii ze słońca. Ostatnie 20 lat rozwoju branży baterii słonecznych pokazało, że podwojenie wolumenu zainstalowanej mocy powoduje 20% spadek ceny paneli fotowoltaicznych. W przeciągu ostatnich 5 lat w Europie koszty instalacji elektrowni fotowoltaicznej spadły o 50% a w najbliższych 10 latach prognozowany jest dalszy dynamiczny spadek cen systemów słonecznych w przedziale od 36-51% (źródło EPIA). Z punktu widzenia użytkownika najważniejszy jest koszt energii produkowanej z danego źródła. Na tym tle fotowoltaika także posiada duży potencjał spadku cen. W strukturze kosztów produkcji energii elektrycznej ze słońca zdecydowanie dominujące są koszty inwestycyjne z tego też względu spadek cen instalacji bezpośrednio przekłada się na niższe koszty produkcji energii. Szacuje się, że do roku 2020 koszty energii elektrycznej produkowanej z energii słonecznej spadną w Europie o 50% z obecnego poziomu 0,16-0,35 euro/kWh do 0,08 – 0,18 euro/kWh. Koszt energii z instalacji fotowoltaicznej w poszczególnych latach i źródło EPIA Parytet sieciowy coraz bliżej Celem branży fotowoltaicznej jest osiągnięcie parytetu sieciowego, czyli poziomu cenowego produkcji energii równego lub niższego niż cena energii w sieci. Z roku na rok przybliżamy się do tego poziomu i według analiz EPIA już w roku 2013 parytet sieciowy zostanie osiągnięty we Włoszech przez instalacje fotowoltaiczne w segmencie instalacji komercyjnych. Dwa lata później, czyli w roku 2015 cena energii z fotowoltaicznych instalacji domowych osiągnie we Włoszech rynkowy poziom cen. W poszczególnych krajach parytet sieciowy będzie następował w różnych latach i będzie głównie uzależniony od nasłonecznienia w danym kraju oraz ceny energii. Włochy pod tym względem są w bardzo dobrej sytuacji. Posiadają bardzo wysokie nasłonecznienie zwła szcza na południu a deficyt energii sprawia, że jest ona w tym kraju bardzo droga. Rok osiągnięcia przez instalację fotowoltaiczną parytetu sieciowego Źródło opracowanie własne na podstawie danych EPIA W powyższym zestawieniu na słowo komentarza zasługują Niemcy z uwagi na zbliżone do Polski nasłonecznienie. Można założyć, że skoro w roku 2017 w Niemczech energia z baterii słonecznych stanie się atrakcyjna cenowo bez dofinansowania w domowych instalacjach to także nieznacznie później w Polsce wykorzystanie fotowoltaiki będzie w pewnych warunkach inwestycyjnych uzasadnione ekonomicznie przed rokiem 2020. Koszt energii z instalacji fotowoltaicznej w poszczególnych latach z podziałem na wielkość instalacji źródło EPIA Obecnie fotowoltaika cieszy się w Polsce dużym zainteresowaniem mimo braku finansowej opłacalności takiej inwestycji. Ważne jest, aby Państwo stworzyło podstawy do rozwoju w Polsce rozproszonej energetyki. Niezbędne jest wprowadzenie możliwości bezkosztowej odsprzedaży wyprodukowanej energii z małych instalacji do sieci bez konieczności prowadzenia w tym celu koncesjonowanej działalności gospodarczej. Konieczne jest wprowadzenie prosumenckiego rynku energii, w którym każdy uczestnik rynku będzie mógł być zarówno konsumentem ja i lokalnym dostawcom energii.  Czy różne typy ogniw fototowoltaicznych przy tej samej mocy dają jednakowe zyski energii ? Na rynku fotowoltaiki pojawia się coraz więcej rodzajów baterii słonecznych. Z tego też względu coraz więcej użytkowników i potencjalnych nabywców zadaje sobie pytanie czy np.  100 Watowe ogniwo z krzemu monokrystalicznego da tą samą ilość energii, co ogniwo polikrystaliczne, amorficzne, CIGS i CdTe ? Oczywiście nie gdyż różne typy ogniw PV mają różne zakresy spektrum, w którym będzie zachodził efekt fotowoltaiczny. Sprawność ogniwa w tym przypadku nie jest istotna. Zasadę jaka obowiązuje w przypadku oszacowania ilości energii wyprodukowanej z ogniwa mówi:   - Jeżeli dane ogniwo ma spektrum przesunięte w kierunku podczerwieni a co za tym idzie niską barierę potencjału półprzewodnika (ang. band gap) będzie bardziej efektywne w dni pochmurne przy braku bezpośredniego oświetlenia. Ogniwo będzie pracowało dość regularnie od wschodu aż do późnego zachodu Słońca. - Jeżeli dane ogniwo ma spektrum przesunięte w kierunku ultrafioletu a co za tym idzie wysoką barierę potencjału półprzewodnika (ang. band gap) będzie bardziej efektywne przy bezpośrednim oświetleniu. Moc ogniwa będzie szybko reagowała na każde przysłonięcie Słońca przez chmurę, kąt oświetlenia. Często wymagane jest śledzenie wędrówki słońca. Opisane różnice dobrze widać na przykładzie dwóch popularnych obecnie ogniw z krzemu amorficznego i polikrystalicznego. Moduł wykonany z krzemu amorficznego będzie bardziej efektywny latem, gdy mamy więcej promieniowania bezpośredniego. Natomiast zimą przy zwiększonym udziale promieniowania rozproszonego bardziej wydajny okaże się krzem monokrystaliczny. Oczywiście porównania dotyczą dwóch modułów tej samej mocy, i sprawność niema tu znaczenia! Interesującym trendem są ogniwa DSSC, które mimo niskiej sprawności (do 10%) absorbują światło z zakresu bliskiej podczerwieni pozwala im to pracować praktycznie w każdych warunkach klimatycznych a ich moc wyjściowa nie podlega tak dużym wahaniom jak w przypadku innych ogniw PV. aki jest najlepszy dach do fotowoltaiki Obecny system wsparcia umożliwia szersze wykorzystanie fotowoltaiki lecz z końcem dekady instalacje słoneczne powinny być ekonomicznie uzasadnione bez dofinansowania. Fotowoltaiczny boom czeka nasz kraj wcześniej czy później i dobrze już teraz się do niego przygotować zwłaszcza, jeżeli budujemy nowy dom. Patrząc na trendy w polskim budownictwie dach domu wykorzystywany jest, jako element estetyki osłaniający budynek przed warunkami atmosferycznymi. Mało, kto patrzy na dach pod kątem źródła energii. Jednak, aby możliwa była instalacja baterii słonecznych dach musi mieć odpowiednią konstrukcję, w której duża połać dachu eksponowana jest na południe. Najgorszy pod tym względem jest dach wielospadowy z licznymi jaskółkami.   źródło zdjęcia: static.e-dach.pl Tego typu dach nie dość, że jest najdroższy w budowie praktycznie uniemożliwia instalację na nim baterii słonecznych nawet, jeżeli znajdziemy kilka m2 wolnej przestrzeni od południa to liczne jaskółki będą rzucać na nią cień. Pod względem energetycznego wykorzystania dachu ten typ jest najgorszym rozwiązaniem. Znacznie lepszy pod względem możliwości wykorzystania fotowoltaiki jest dach 2 spadowy pod warunkiem, że dom zostanie ustawiony na działce tak, że jedna z połaci dachu będzie zwrócona na południe. źródło zdjęcia: static.e-dach.pl W przypadku tego typu dachu skutecznym ograniczeniem dla fotowoltaiki są okna dachowe oraz jaskółka. Znacznie lepszym rozwiązaniem byłby dom z dachem dwuspadowym w poniższym układzie. Przy takiej konstrukcji na jednej połaci dachu niema żadnych elementów ograniczających montaż baterii słonecznych. Idealnym rozwiązaniem byłby dom z dachem jednospadowym z całą połacią dachu skierowaną na południe. Takie rozwiązanie prezentuje budynek poniżej. Źródło zdjęcia Viessmann Reasumując z punktu widzenia przyszłego wykorzystania fotowoltaiki budując nowy dom warto przemyśleć konstrukcję jego dachu. Ważne, aby cały budynek ustawić na działce w taki sposób, że cały dach lub jego część jest skierowana na południe. Przy wyborze samego dachu warto wybrać prostą konstrukcję np. dach dwu spadowy pamiętając, aby na elewacji południowej nie lokalizować kominów, jaskółek i okien dachowych. Idealnym rozwiązaniem byłby dach jednospadowy o ekspozycji południowej. Rynek fotowoltaiki - azja coraz mocniejsza W porównaniu do roku 2009 w 2010 rynek fotowoltaiki znacznie się powiększył wiele z wiodących firm znacznie zwiększyło swoje moce produkcyjne. Tendencja ta dotyczy zwłaszcza azjatyckich producentów ogniw i modułów fotowoltaicznych, którzy znacząco wzmocnili swoją pozycję. Firmy pochodzące z Chin i Tajwanu w 2010 r. dostarczyły na rynek aż 59% światowej produkcji ogniw PV (50% w 2009). W śród 10 największych firm fotowoltaicznych obecnie 5 to koncerny chińskie 2 tajwańskie a niedawne potęgi w tej branży jak Niemcy i Japonia mają zaledwie po jednym reprezentancie. To zestawienie najlepiej obrazuje olbrzymie zmiany, jakie zachodzą na rynku energetyki słonecznej. Udział Europy w produkcji ogniw fotowoltaicznych spadł w 2010r. do 13% udział Japonii spadł do 9% a USA do 5%. Z roku na rok Azja pokazuje, że nowe technologie są jej coraz bliższe niestety nie jest to dla europy dobry sygnał. Producent i kraj Produkcja w 2010r. w MW Produkcja w 2009r. w MW 1 Suntech Chiny 1572 704 2 JA Solar Chiny 1464 520 3 First Solar USA 1411 1100 4 Yingli Solar Chiny 1062 525,3 5 Trina Solar Chiny 1057 399 6 Motech Taiwan 924 360 7 Qcell Niemcy 907 586 8 Gintech Taiwan 827 368 9 Sharp Japonia 774 595 10 Canadian Solar Chiny 588 193 Pozostali 9414 1889 Jak obliczyć uzysk energii z ogniw fotowoltaicznych Aby rozpocząć obliczenia uzysku energii słonecznej z ogniw PV konieczne są dane o nasłonecznieniu czyli ilości energii padającej na określoną powierzchnię w jednostce czasu. Takie dane dla polski można znaleźć na tu: http://www.mi.gov.pl/2-48203f1e24e2f-1787735-p_1.htm Najbardziej pomocne są dane z ostatniej kolumny zwanej statystyki ISO STAT TXT Znajdują się w nich miedzy innymi średnie miesięczne dane o nasłonecznienia ITH (Średnia suma miesięczna całkowitego natężenia promieniowania słonecznego czyli miesięczne nasłonecznianie ) wyrażone w Wh/m2. Należy pamiętać że dane w kolumnie ITH odnoszą się do powierzchni poziomej a ogniwa słoneczne zazwyczaj instalowane są pod pewnym kontem w kierunku południowym. Dane z powierzchni poziomej można przeliczyć na powierzchnię pochyłą lecz nie jest to łatwe. Lepiej skorzystać z danych już przeliczonych znajdujących się także w pliku z danymi statystycznymi. Dostępne są dane o nasłonecznieniu dla pochylenia 30,60,45,90 stopni i podstawowych kierunków świata. Z punktu widzenia energetyki słonecznej istotne są dane oznaczone jako I_S__30, I_S__45 , I_S__60 , I_S__90 gdzie S oznacza że są to dane dla kierunku południowego a liczba po "_ "liczba oznacza kat pochylenia. W przypadku kątów pośrednich można zastosować ekstrapolacje. Mając dane o nasłonecznieniu można obliczyć średnie natężenie promieniowania słonecznego dla danego okresu (w tym przypadku miesiąca) dzieląc nasłonecznienie przez liczbę godzin dziennych(liczba godzin od wschodu do zachodu słońca np w danym miesiącu). Błędem jest tu stosowanie usłonecznienia czyli liczby godzin słonecznych w danym okresie. Usłonecznienie odnosi się do czasu operowania słońca bez zachmurzenia a ogniwa fotowoltaiczne produkują energię także w pochmurne dni (odpowiednio mniej ale produkują). Długość dnia w danym miesiącu w danej lokalizacji można odnaleźć w wielu publikacjach można też je wyliczyć samodzielnie. wzór na obliczenie długości dnia gdzie N -szerokość geograficzna Q - deklinacja deklinacje można obliczyć wg wzoru gdzie D to kolejny dzień roku Wzory pozwalają obliczyć długość kolejnego dnia roku np. w arkuszu kalkulacyjnym Taki prosty kalkulator umieściłem pod linkiem tu http://spreadsheets.google.com/ccc?key=0AqrQUMXHpwk9dFVBOXZRTHhkeWozVjNXVXMyRFBIbnc&hl=pl (proszę nie zmienić formuł jedynie szerokość geograficzną ) Posiadając dane o nasłonecznieniu oraz długość dnia możemy wyliczyć średnie natężenie promieniowania słonecznego w danym miesiącu. Biorąc za przykład Kraków i pochylenie instalacji 45 stopni S uzyskamy Dane dla Krakowa Na podstawie tych danych możemy wyliczyć uzysk energii z danej instalacji fotowoltaicznej. W sposób uproszczony: uzysk (w kWh) = czas * Iśr/1000 * Ep (w kW) gdzie czas - liczba godzin dziennych w danym miesiącu Iśr - średnie natężenie promieniowania słonecznego dla danego miesiąca Ep - moc elektrowni w kW Jeżeli moc elektrowni podana będzie w kW wynik będzie w kWh jeżeli moc podana zostanie w Watach wynik będzie w Wh   Jak wspominałem w ostatnim poście zależność między natężeniem promieniowania słonecznego a mocą ogniw nie jest prostoliniowa dlatego dla bardziej dokładnych obliczeń należy użyć mocy ogniw odczytanych z charakterystyk dla danego natężenia promieniowania. uzysk (w kWh) = czas * moc ogniw dla danego Iśr