Budowa i eksploatacja systemów fotowoltaicznych. Zeszyty dla elektryków - nr 13 ebook PDF

Budowa i eksploatacja systemów fotowoltaicznych.
Zeszyty dla elektryków - nr 13
ebook PDF

rok wydania: 2015, wydanie pierwsze

format: PDF
zabezpieczenie: znak wodny
liczba plików do pobrania: 1 (PDF)
rozmiar pliku do pobrania: 8,80 MB
ilość stron: 176
ISBN: 978-83-64094-41-5

Spis treści
Przedmowa / 7
1.    Najważniejsze pojęcia związane z fotowoltaiką / 9

2.    Potencjał energetyczny promieniowania słonecznego / 11
2.1.    Szacowanie wielkości, tzw. stałej słonecznej / 11
2.2.    Rozkład widmowy promieniowania słonecznego / 13
2.3.    Wykres pozycji Słońca / 14
2.4.    Szacunkowe uzyski energetyczne na terenie Polski / 17

3.    Podstawowe informacje o zjawisku fotowoltaicznym / 18
3.1.    Model energetyczny pasmowy półprzewodników / 18
3.2.    Budowa i funkcjonowanie typowego ogniwa PV / 24
3.3.    Budowa generatorów PV / 30

4.    Modelowanie matematyczne funkcjonowania ogniw, modułów i paneli PV / 35
4.1.    Model zastępczy ogniwa PV / 35
4.2.    Implementacja modelu ogniwa PV w systemie Matlab-Simulink / 38
4.3.    Symulacja funkcjonowania modułów i paneli PV / 41

5.    Podstawowe rodzaje ogniw i modułów PV / 45
5.1.    Ogólny podział na generacje / 45
5.2.    Charakterystyka najważniejszych typów ogniw i modułów PV / 47
5.2.1. Krzemowe ogniwa monokrystaliczne / 47
5.2.2. Krzemowe ogniwa polikrystaliczne / 48
5.2.3. Krzemowe ogniwa amorficzne / 49
5.2.4. Ogniwa z tellurku kadmu – CdTe / 49
5.2.5. Ogniwa w układach koncentrujących światło – CPV / 49
5.2.6. Ogniwa uczulane barwnikiem – DSC / 50
5.2.7. Ogniwa organiczne – OPV / 50
5.2.8. Perowskity – alternatywa dla fotowoltaiki krzemowej? / 50
5.2.9. Ogniwa wykorzystujące inne zjawiska / 51

6.    Klasyfikacja systemów PV / 52
6.1.    Ogólna klasyfikacja systemów PV / 52
6.2.    Systemy PV stosowane w budownictwie / 53
6.3.    Trackery PV / 55
6.3.1. Budowa i klasyfikacja trackerów PV / 55
6.3.2. Algorytmy sterowania trackerów PV / 57
6.3.3. Stanowisko do testowania algorytmów sterowania dwuosiowego trackera PV typu TTDAT / 59

7.    Projektowanie systemów PV / 62
7.1.    Projektowanie systemów PV typu off-grid / 62
7.1.1. Uproszczona metoda doboru generatora PV do instalacji typu off-grid / 62
7.1.2. Dobór generatora PV do instalacji typu off-grid na podstawie danych o nasłonecznieniu / 62
7.1.3. Dobór akumulatora / 64
7.1.4. Dobór przewodów / 65
7.2.    Projektowanie systemów PV typu on-grid / 66
7.2.1. Dobór inwertera do systemu PV dołączonego do sieci / 66
7.3.    Związek powierzchni modułu PV z jego sprawnością / 71
7.4.    Komputerowe wspomaganie projektowania systemów fotowoltaicznych / 74
7.4.1. Ogólna klasyfikacja oprogramowania / 74
7.4.2    Przykładowe kalkulatory PV / 74
7.4.3.    Przykłady oprogramowania oferowanego przez producentów falowników / 76
7.4.4.    Uniwersalne profesjonalne aplikacje do projektowania systemów PV / 79
7.5.    Najczęściej popełniane błędy przy projektowaniu systemów PV / 82

8.    Charakterystyka falowników w systemach PV / 84
8.1. Ogólna charakterystyka funkcjonowania falowników PV / 84
8.2. Podział falowników ze względu na sposób współpracy z siecią / 85
8.3. Podział falowników ze względu na budowę wewnętrzną / 86
8.4. Podział falowników ze względu na moc nominalną        87
8.5. Sprawność falowników PV / 89
8.6. Metody poszukiwania optymalnego punktu pracy falowników / 91
8.7. Monitoring systemów PV – przykłady / 95
8.8. Nominalny współczynnik mocy falownika / 100
8.9. Moc czynna, bierna i pozorna falownika PV / 100
8.10. Systemy typu Smart Module / 102

9.    Istotne aspekty eksploatacyjne w budowie systemów fotowoltaicznych / 104
9.1.    Skutki zacienienia części generatora PV / 104
9.2.    Korozja warstwy TCO niektórych modułów PV / 107
9.3.    Degradacja napięciem indukowanym – PID / 107
9.4.    Krótkotrwała degradacja pod wpływem promieniowania słonecznego – LID / 108
9.5.    Degradacja warstwy EVA / 109
9.6.    Gorące punkty – HOT-SPOT / 109
9.7.    Obciążenie śniegiem systemów PV / 110
9.8.    Obciążenie wiatrem w systemach PV / 112

10. Zabezpieczenia stosowane w systemach fotowoltaicznych / 116
10.1. Działanie prądu elektrycznego na organizm ludzki / 116
10.1.1. Znaczenie klasy ochronności i stopnia IP / 119
10.1.2. Zasady ochrony przeciwporażeniowej / 122
10.2. Dobór zabezpieczeń nadprądowych w systemach PV / 124
10.3. Ochrona przepięciowa instalacji fotowoltaicznych / 127
10.3.1. Technologia VG w ogranicznikach przepięć / 130
10.3.2. Technologia SCI w ogranicznikach przepięć / 132
10.4. Ochrona odgromowa systemów PV / 132
10.5. Ochrona przeciwpożarowa w systemach PV / 135

11. Problemy gromadzenia energii w systemach PV / 139
11.1. Ogólny funkcjonalny podział akumulatorów / 139
11.2. Charakterystyka akumulatorów stosowanych w systemach PV / 139
11.3. Zalecenia projektowe przy doborze akumulatorów / 143

12. Przykłady praktycznych zastosowań generatorów fotowoltaicznych / 145
12.1. Ogólne koncepcje budowy systemów PV / 145
12.1.1. Fotowoltaiczne, autonomiczne systemy zasilania / 145
12.1.2. Fotowoltaiczne systemy zasilania dołączone do sieci / 148
12.2. Systemy PV specjalnego przeznaczenia – przykłady / 150
12.2.1. Autonomiczny system PV do podgrzewania c.w.u. / 150
12.2.2. Ochrona katodowa zasilana systemami PV / 153
12.3. Najważniejsze parametry charakteryzujące funkcjonowanie systemów PV / 153

13. Przyrządy pomiarowe stosowane w fotowoltaice / 155
13.1. Analizator i rejestrator instalacji PV – SOLAR300N / 155
13.2. Miernik charakterystyk I-V400 / 156
13.3. Badania termowizyjne w systemach PV / 159
13.4. Technika pomiarowa LBIC w fotowoltaice / 162

14. Perspektywy rozwoju fotowoltaiki / 165
14.1. Ogólnoświatowe trendy / 165
14.2. Najnowsze ustawodawstwo w Polsce / 167
14.3. Koncepcja tworzenia Smart Grid / 168

Bibliografia / 169



Przedmowa
Fotowoltaika (nazywana dalej w skrócie PV) jest obecnie jednym z najszybciej rozwijających się w Europie i na świecie odnawialnym źródłem energii, tzw. OZE . Sam termin fotowoltaika pochodzi od dwóch wyrazów: „foto” – oznaczającego światło oraz „wolt” – od jednostki napięcia (od nazwiska Alessandra Volty). Wykorzystuje ona zjawisko fotowoltaiczne, polegające na bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na najbardziej użyteczną postać energii – energię elektryczną. Podstawą rozwoju fotowoltaiki było odkrycie przez francuskiego fizyka Edmunda Becquerela w 1839 r. efektu fotowoltaicznego, polegającego na generowaniu energii elektrycznej przez materiał półprzewodnikowy, który zaabsorbował promieniowanie słoneczne. Teoretycznego opisu tego zjawiska dokonał Albert Einstein w 1904 r. (m.in. za to otrzymał nagrodę Nobla w 1921 r.), a pierwsze efektywne ogniwo powstało w 1954 r. w Bell Laboratories.
Na obecnym etapie rozwoju fotowoltaika urasta do nowej dziedziny nauki i techniki, która łączy w sobie wiedzę z zakresu: fizyki, astronomii, elektroniki, mechaniki, elektrotechniki, energetyki i automatyki. Z drugiej strony, określa się ją jako istotną część szeroko rozumianej inżynierii OZE. Trzeba więc mieć wiele odwagi, aby nazywać się specjalistą od fotowoltaiki, a określenie „inżynier OZE” uważam za zdecydowanie zbyt ogólnikowe i powierzchowne podejście do sprawy.
W fotowoltaice zaskakujące jest wciąż aktualne prawo empiryczne, wynikające z obserwacji dotyczącej trendu cenowego ogniw PV, zgodnie z którym każde podwojenie zdolności produkcyjnych przemysłu fotowoltaicznego powoduje spadek ceny ogniw o 20%. Nazwa tego prawa pochodzi od nazwiska Richarda Swansona, założyciela firmy produkującej ogniwa PV SunPower Corporation. Prawo Swansona jest porównywane do Prawa Moore'a. Ceny krystalicznych ogniw słonecznych spadły z 76,67 USD/Wp w 1977 roku do poziomu 0,74 USD/Wp w roku 2013, potwierdzając w ten sposób opisywane prawo.

Zanim jednak opłacalność wykorzystywania fotowoltaiki w praktyce stanie się faktem, doświadczenia wielu krajów dowodzą, że wpływ na rozwój tego sposobu generowania energii zależy od różnego rodzaju programów wsparcia. W tym zakresie w Europie mamy zarówno wiele przykładów pozytywnych, jak np. w Niemczech, jak i negatywnych, jak np. w Czechach . O ile oczywiście przykłady pozytywne doprowadziły do rozwoju tej dziedziny gospodarki, to negatywne skutki miały miejsce w postaci krótkotrwałych i nieprzemyślanych „baniek” spekulacyjnych. W Polsce temat fotowoltaiki bardzo długo był tematem tabu (głównie ze względu na obawy rządu przed niezadowoleniem silnego lobby węglowego). Jednak w momencie kończenia tej publikacji zapaliło się przysłowiowe światełko w tunelu. Prezydent RP 11 marca 2015 r. podpisał bowiem Ustawę o OZE, która zawiera zaskakująco sprzyjające zapisy dla rozwoju fotowoltaiki w Polsce. W skrócie można ją określić jako element promujący energetykę rozproszoną i prosumencką, która w przyszłości może zwiększyć bezpieczeństwo energetyczne kraju. Terminu prosument (od słów producent i konsument) po raz pierwszy użył w 1980 roku słynny futurolog Alvin Toffler, autor „Trzeciej fali”.
Według nowej ustawy o OZE systemy PV do 3 kW otrzymają taryfę gwarantowaną FIT (ang. Feed-in-Tariff) w wysokości: 0,75 zł/kWh, natomiast do 10 kW – 0,65 zł/kWh na okres 15 lat. Zapis ten może znacząco wpłynąć na rozwój fotowoltaiki w Polsce w najbliższym czasie (więcej o nowej ustawie w rozdziale 14.2.).

Opóźnienie Polski może w pewnym sensie być pozytywnym czynnikiem jakościowym rozwoju fotowoltaiki w naszym kraju. W ostatnich latach dokonał się bowiem bardzo duży postęp w jakości i niezawodności sprzętu. Kiedy w Niemczech był najszybszy rozwój fotowoltaiki na rynku, dominowały moduły o mocy rzędu 50 Wp, natomiast obecnie moc pojedynczego modułu jest już bliska 300 Wp, a okresy gwarantowanej pracy deklarowane przez producentów sięgają do ok. 30 lat.
W książce wątki ekonomiczne będą się jednak pojawiały bardzo sporadycznie, gdyż głównym jej celem jest opracowanie monograficzne tematyki technicznej związanej z budową i eksploatacją systemów PV dla najpopularniejszych stosowanych obecnie technologii produkcyjnych. Zamierzeniem autora jest to, aby czytelnik zapoznał się z metodami projektowania i budowy systemów PV, a także z istotnymi aspektami ich eksploatacji i metodami badań. Dużo uwagi poświęcono również metodyce komputerowego wspomagania projektowania systemów PV. Publikacja ma charakter monograficzny i nie opisuję w niej innych odnawialnych źródeł energii.
Wszelkie uwagi i sugestie zmian w następnych wydaniach monografii proszę kierować na e mail: mariusz@sarniak.pl – wszystkie konstruktywne propozycje zmian i korekt uwzględnię przy kolejnych wydaniach publikacji.

Autor