Fotowoltaika nie musi być trudna – poradnik projektanta

Kiedy zapytamy kogoś z czym kojarzy mu się słowo „fotowoltaika”, prawie każdy odpowie na to pytanie trochę inaczej, ale tak jak to rozumie. Jedni powiedzą prosto, że fotowoltaika to darmowy prąd ze słońca. Inni powiedzą, że fotowoltaika to sposób wytwarzania energii elektrycznej w efekcie naświetlania materiału półprzewodnikowego strumieniem fotonów. I pierwsi i drudzy mają rację. Jednak by w darmowy sposób wytwarzać energię elektryczną ze światła słonecznego trzeba zastosować zaprojektowaną specjalnie to tego celu instalację fotowoltaiczną.

No to teraz już chyba wszystko wiadomo. Bo właśnie zostały użyte, jak do tej pory, dwa najważniejsze zagadnienia w tym opracowaniu: zaprojektować i instalacja fotowoltaiczna.

Nie będzie przesadą stwierdzenie, że na dobrą i wydajną instalację fotowoltaiczną składają się jej poszczególne części i podzespoły oraz rzetelnie, profesjonalnie przygotowany projekt takiej instalacji. A z tym ostatnim czasami bywa różnie. Żeby chociaż odrobinę przybliżyć tę problematykę proponuję poświęcić nam jeszcze kilka minut lektury.

Decyzja podjęta, ale co dalej?

Kiedy już zapadła decyzja o montażu systemu fotowoltaicznego, osoba która będzie go projektować musi w pierwszej kolejności mieć informację o planowanej mocy instalacji. Możemy przyjąć jej wartość albo w oparciu o wcześniejsze zużycie dla danej lokalizacji, albo zakładając potrzeby docelowe. Dopiero mając tę informację możemy faktycznie zacząć właściwe działania projektowe.
Miejsce, kąt oraz azymut montażu modułu

Jeżeli wiemy już jakiej mocy ma być planowana przez nas instalacja, kolejnym krokiem jest określenie miejsca, gdzie będzie zamontowana. Problem, a raczej kwestia, do której trzeba podejść rozważnie, uwzględniając kilka różnych aspektów.

Niezależnie od tego czy instalacja fotowoltaiczna będzie montowana na gruncie, czy na dachu budynku bardzo ważne dla jej wydajności będzie ustalenie kąta pochylenia modułu względem gruntu oraz azymutu. Dostępne są szczegółowe informacje uwzględniające położenie geograficzne, porę roku itd. w odniesieniu chociażby do uzysku energii czy rocznego nasłonecznienia. My, żeby niepotrzebnie nie komplikować sprawy, możemy przyjąć ogólnie dla obszaru Polski, że optymalną ilość energii uzyskamy z modułu pochylonego pod kątem w zakresie 20 – 40° skierowanego na południe. Jednak, żeby nie było znowu zbyt prosto, musimy też wiedzieć, że najbardziej obfitującym w energię jest okres od kwietnia do września.

Moduły PV nie lubią cienia

Mamy zatem lokalizację, kąt i azymut. Umiemy przewidzieć na tej podstawie zmiany w uzysku energii, a co za idzie w ilości modułów PV. W takim razie planujemy dalej.

Nasza instalacja może być na gruncie lub na dachu jakiejś nieruchomości. Dla obu tych rozwiązań ważne jest, żeby wokół całej powierzchni, na której będziemy montować moduły fotowoltaiczne, przestrzeń była wolna od elementów infrastruktury, które mogą w ciągu dnia lub w jego części rzucać cień na panele. Drzewa, kominy oraz inne elementy infrastruktury dachu, antena satelitarna czy radiowo telewizyjna, sąsiedni budynek, dużo wyższy od naszego, itd. Te elementy w znaczący sposób wpływają na rozmieszczenie paneli w wybranej przez nas lokalizacji. Analizując przestrzeń wokół planowanego miejsca montażu należy uwzględniać fakt, że moduły PV nie lubią cienia. Projektując ich rozmieszczenie trzeba bezwzględnie o tym pamiętać. Tak jak o tym, że cień komina będzie dłuższy w styczniu niż czerwcu. Oznacza to, że komin w styczniu może więcej komplikować niż w czerwcu. Zacienienie poszczególnych modułów PV wydaje się być jednym z istotniejszych problemów, jakie należy uwzględniać w tracie procesu projektowego. Zacienienie części jednego modułu ma wpływ na pracę pozostałych, połączonych z nim modułów i w efekcie może się to przełożyć na istotny spadek mocy całego szeregu paneli. Jeżeli potrafimy to przewidzieć, to możemy też temu w znacznym stopniu zaradzić. Żeby się tak stało, wystarczy zastosować optymalizatory mocy. Ogólnie mówiąc są to urządzenia, które pozwolą korzystać z częściowo zacienionego modułu PV bez drastycznych skutków dla reszty modułów wpiętych do jednego szeregu.

Podsumujmy informacje

Reasumując, o czym projektant powinien pamiętać? Jeżeli przewidujemy częściowe zacienienie na którymś z modułów, koniecznie należy użyć optymalizator mocy. Do rozpatrzenia zostaje jeszcze kilka innych kwestii, jak chociażby potencjalny podział wszystkich modułów na więcej niż jeden łańcuch modułów PV, stringów. Ma to o tyle znaczenie, że projektując system musimy uwzględnić ilość modułów PV w łańcuchu PV. Należy pamiętać, że moduł PV pracuje optymalnie w temperaturze ok. 25°C. Wzrost temperatury pracy modułu PV wiąże się ze spadkiem napięcia w punkcie mocy maksymalnej Vmpp i odwrotnie. Im niższa temperatura, tym wyższe napięcie Vmpp. Jakie ma to przełożenie na proces projektowania instalacji? Należy po prostu pamiętać, że zakładając minimalną liczbę modułów w łańcuchu PV musimy uwzględnić temperaturowy spadek napięcia poniżej poziomu wymaganego przez falownik do jego załączenia się.

W przypadku instalacji dachowych dodatkową kwestią, którą należy uwzględnić w procesie projektowym jest odległość od brzegu dachu, od której można montować moduły. Uwzględnienie bezpiecznych obszarów brzegowych jest konieczne z uwagi na występowanie siły ssącej wiatru. Oprócz tego należy pamiętać o dachowych systemach odwadniających. W zależności od nachylenia połaci dachu, odległość modułu PV od rynny powinna mieścić się w zakresie 20 – 35 cm.

Jesteśmy zatem na etapie, w którym przyjmujemy, że wzięliśmy pod uwagę, jeśli nie wszystkie, to przeważającą liczbę parametrów mogących stanowić o właściwym doborze systemu zamocowania modułów fotowoltaicznych.

Instalacja naziemna

Jeżeli instalacja ma być naziemna, to posiłkując się specjalistycznymi programami, można zastosować konstrukcje montowane w gruncie przez wbijanie lub wkręcanie profili pionowych, a w dalszej kolejności mocowane do nich kolejne elementy konstrukcji poprzecznej. Innym sposobem na trwałe posadowienie konstrukcji w gruncie jest jej zamocowanie do fundamentów betonowych czy to w postaci płyt, czy też poprzez wylewanie ław fundamentowych. Te rozwiązania muszą uwzględniać nośność gruntu i jakość podłoża, a to może wiązać się odrębnymi pracami projektowymi. Dlatego w niniejszym opracowaniu nie będziemy rozwijać tego tematu.

Instalacja na dachu

W przypadku instalacji na dachu należy uwzględnić:
• czy dach jest płaski czy skośny?
• jeżeli skośny to pod jakim kątem?
• jak rozmieszczone są niektóre elementy konstrukcji dachu: płatew, krokiew, deskowanie?
• na jakiej wysokości będzie wykonana instalacja?
• czy na dachu zamontowane są jakieś dodatkowe elementy konstrukcyjne?

Należy uwzględnić w jakim stopniu zagospodarowany jest obszar wokół instalacji:
• czy jest to zwarta zabudowa, czy może wolno stojący budynek na dużej otwartej przestrzeni?
• z czego wykonane jest pokrycie dachu?

Wybór rodzaju konstrukcji

Jeżeli mamy już te informacje możemy zdecydować się na rodzaj konstrukcji mocującej moduły PV. Oznacza to, że warto sięgnąć po wsparcie informatyczne. W przypadku instalacji montowanej na dachu, podobnie jak w przypadku instalacji naziemnej, najwłaściwiej jest skorzystać ze specjalistycznego oprogramowania.

Profesjonalny system mocowania modułów musi być wspierany przez jego producenta profesjonalnym oprogramowaniem projektowym. Tak jest z pewnością w przypadku firmy Schletter. Blisko 20 letnie doświadczenie w branży fotowoltaicznej przekłada się na szeroką gamę systemów montażowych. Przyjęte przez tę firmę rozwiązania z pewnością są efektem zdobytych doświadczeń w trakcie faktycznych montaży.

Proces projektowy instalacji

Teraz projektant, z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania, musi wszystkie wcześniej zebrane informacje przełożyć na projekt w formie szczegółowego dokumentu kończącego się zestawieniem materiałowym dla grupy montującej.

Z uwagi na mnogość możliwych do zastosowania systemów nie ma sensu omawianie każdego z nich oddzielnie. W przypadku rozwiązań zaproponowanych przez tego producenta projektant w efekcie otrzymuje gotowe rozwiązanie oparte na przyjętych założeniach. Jedyną rzeczą, która pozostała do zrobienia to sama instalacja w oparciu o wygenerowany projekt.

Wydaje się Schletter w swoich rozwiązaniach nie pozostawia żadnej kwestii przypadkowi. Tu każdy zastosowany element ma swoje zadanie.

Cały proces projektowania systemu fotowoltaicznego w decydującej mierze zależy od narzędzi, jakie posiada projektant i od wsparcia merytorycznego jakim dysponuje.

To co na koniec należy powiedzieć z pewnością nie będzie ani oryginalne, ani odkrywcze. Mając świadomość projektowania instalacji w oparciu o wysokiej klasy moduły fotowoltaiczne, nowoczesne falowniki i pozostały osprzęt elektroniczny oraz wyjątkowo dobrze dopracowany, profesjonalny i bardzo uniwersalny system konstrukcji mocowania modułów, projektant na wstępie ma merytoryczną przewagę i komfort pracy. Jeżeli do tego dołożyć mądre i bogate, oparte o doświadczenia środowisko wsparcia informatycznego to pozostaje już tylko zawodowa wiedza i wyobraźnia personelu projektującego do uzyskania w efekcie naprawdę dobrze zaplanowanej i przygotowanej instalacji fotowoltaicznej.