Podręcznik instalatora systemów fotowoltaicznych

Podręcznik instalatora systemów fotowoltaicznych

rok wydania: 2022, wydanie pierwsze
ilość stron: 134
ISBN: 978-83-64094-72-9
oprawa: miękka

Spis treści
Przedmowa / 7

1. Wprowadzenie / 9

2. Zagadnienia ogólne oraz aktualne dokumenty odniesienia dotyczące systemów PV / 11
2.1. Najważniejsze przepisy krajowe dotyczące fotowoltaiki / 11
2.2. Podstawy prawne i zasady certyfikacji instalatorów / 14
2.3. Przepisy ppoż. i BHP dla instalacji PV / 16
2.3.1. Przepisy ppoż. / 16
2.3.2. Przepisy BHP / 20
2.4. Przykładowe pytania teoretyczne do rozdziału 2 / 22

3. Podstawy funkcjonowania systemów PV / 23
3.1. Ogólne informacje o ogniwach i modułach PV / 23
 3.1.1. Budowa i zasada funkcjonowania ogniw i modułów PV / 23
 3.1.2. Budowa generatorów PV / 27
 3.1.3. Wpływ temperatury na funkcjonowanie modułów PV / 29
3.2. Rodzaje modułów PV / 31
 3.2.1. Moduły z ogniwami z krzemu monokrystalicznego / 31
 3.2.2. Moduły z ogniwami z krzemu polikrystalicznego / 32
 3.2.3. Moduły z ogniwami z krzemu amorficznego (cienkowarstwowe) / 33
 3.2.4. Moduły na bazie tellurku kadmu (CdTe) / 33
 3.2.5. Moduły cienkowarstwowe typu CIGS /CIS / 33
 3.2.6. Moduły typu PERC / 33
 3.2.7. Moduły typu szyba-szyba / 33
 3.2.8. Moduły z ogniw ciętych na połówki / 34
 3.2.9. Moduły dwustronne / 34
3.2.10. Inne niszowe rozwiązania konstrukcyjne modułów / 34
3.2.11. Systematyka modułów PV – podział na generacje / 36
3.3. Rodzaje systemów PV / 37
3.3.1. Autonomiczne systemy PV (OFF-GRID) / 37
3.3.2 Systemy PV dołączone do sieci energetycznej (ON-GRID) / 38
3.3.3. Hybrydowe systemy PV / 39
3.3.4. Systemy PV typu BAPV oraz BIPV / 40
3.4. Urządzenia i elementy systemów PV / 41
3.4.1. Akumulatory – magazyny energii / 41
3.4.2. Regulatory ładowania / 43
3.4.3. Falowniki (inwertery) / 46
3.4.4. Elementy instalacji PV / 52
3.4.5. Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa / 56
3.4.6. Rodzaje konstrukcji wsporczych / 58
3.5. Przykładowe pytania teoretyczne do rozdziału 3 / 61

4. Projektowanie systemów PV / 63
4.1. Wstępne szacowanie efektywności systemu na podstawie lokalizacji i danych pogodowych / 63
4.1.1. Narzędzia „PVGIS” / 63
4.1.2. Oprogramowanie „PV*SOL online” / 64
4.1.3. Oprogramowanie „Sunny Design” – firmy SMA / 64
4.1.4. Oprogramowanie „Solar.Configurator 4.0” – firmy FRONIUS / 65
4.2. Projektowanie systemów PV typu ON-GRID / 66
4.2.1. Wstępne wymiarowanie / 66
4.2.2. Zasady doboru układu generator-falownik / 68
4.2.3. Dołączanie systemu PV do sieci energetycznej / 69
4.3. Projektowanie autonomicznych systemów PV typu OFF-GRID / 73
4.3.1. Uproszczona metoda doboru mocy generatora PV / 73
4.3.2. Dobór generatora PV na podstawie danych o nasłonecznieniu / 74
4.4. Problemy zacienienia i zanieczyszczenia modułów PV / 75
4.5. Zagadnienia wytrzymałościowe konstrukcji wsporczych / 76
4.6. Klasy ochronności i stopnia IP urządzeń elektrycznych / 80
4.7. Bilansowanie energii – rozliczenia prosumenta / 83
4.8. Przykładowe pytania teoretyczne do rozdziału 4 / 86
4.9. Przykładowe zadania praktyczne do rozdziału 4 / 87

5. Zasady montażu i konfiguracji systemu PV / 89
5.1. Sporządzanie schematu instalacji / 89
5.2. Narzędzia i wyposażenie instalatora / 93
5.3. Zasady doboru i wymiarowania przewodów / 95
5.4. Zasady odbioru systemu PV – procedury i dokumentacja / 98
5.5. Analiza typowych błędów montażowych / 102
5.6. Oznaczenia przewodów i dodatkowe wyposażenie / 105
5.7. Przykładowe pytania teoretyczne do rozdziału 5 / 107
5.8. Przykładowe zadania praktyczne do rozdziału 5 / 108

6. Wydajność systemów PV / 111
6.1. Wyznaczanie charakterystyk prądowo-napięciowych modułów PV / 111
6.2. Ocena poprawności funkcjonowania systemu – inspekcje i konserwacje / 113
6.3. Analiza danych z monitoringu / 115
6.4. Przykładowe pytania teoretyczne do rozdziału 6 / 118
6.5. Przykładowe zadania praktyczne do rozdziału 6 / 119

7. Modernizacja i utrzymanie systemów PV / 121
7.1. Harmonogram i rodzaje przeglądów / 121
7.2. Analiza danych z monitoringu instalacji / 122
7.3. Typowe awarie i sposoby modernizacji instalacji / 122
7.4. Celowość i warunki badań termowizyjnych / 123
7.5. Przykładowe pytania teoretyczne do rozdziału 7 / 127
7.6. Przykładowe zadania praktyczne do rozdziału 7 / 128

8. Perspektywy rozwoju fotowoltaiki w Polsce / 129

Bibliografia / 131

Poprawne odpowiedzi na pytania teoretyczne / 134

Przedmowa
Fotowoltaika (określana dalej powszechnie przyjętym skrótem – PV) jest stosunkowo nową dziedziną nauki i techniki. W Polsce jest to technologia w dalszym ciągu na wstępnym etapie rozwoju. Dlatego jest duże zapotrzebowanie na specjalistów z zakresu projektowania i instalacji systemów PV. Dynamiczne zmiany na rynku komponentów systemów PV wymagają ustawicznego dokształcania kadr technicznych w tym zakresie. Przesłanki te skłoniły autora do opracowania podręcznika dla instalatorów z branży fotowoltaicznej, który stanowi zbiór niezbędnych informacji i równocześnie materiał pomocniczy do przygotowania się do egzaminu, przeprowadzanego z tego zakresu przez Urząd Dozoru Technicznego (UDT). Jest to istotne, gdyż systemy PV są projektowane na długi okres funkcjonowania, szacowany obecnie nawet do 30 ­lat.

Znaczną część opracowania stanowi przegląd różnego rodzaju oprogramowania, wspomagającego proces projektowania systemu PV na każdym jego etapie. Przykłady zastosowania oprogramowania w projektowaniu przygotowano w wersjach dostępnych dla czytelnika, bez konieczności korzystania z wersji komercyjnych. Układ treści podręcznika zawiera zagadnienia wyszczególnione w Rozporządzeniu Ministra Aktywów Państwowych z dnia 25 lutego 2020 r. Zamieszczono również przykładowe pytania teoretyczne i zadania ­praktyczne.

W podręczniku nie opisywano szczegółowo procesu konfiguracji falowników PV ze względu na dużą i zróżnicowaną ofertę rynkową. Te informacje należy czerpać z instrukcji producenta lub zdobywać niezbędne doświadczenie na szkoleniach produktowych. Pomimo szerokiej oferty oprogramowania wspomagającego proces projektowania, zaleca się jednak wykonanie alternatywnych obliczeń sprawdzających, dla krytycznych przypadków funkcjonowania systemu ­PV.

Autor ma świadomość, że przygotowany materiał będzie wymagał ustawicznego doskonalenia i aktualizacji. Jest to spowodowane dynamicznym rozwojem fotowoltaiki i zmieniającymi się uwarunkowaniami ekonomiczno-prawnymi. Jednak ze względu na to, że 2 lutego 2021 r. Rada Ministrów RP zatwierdziła nową „Politykę energetyczną Polski do 2040 r.” (PEP2040), według której perspektywy dla fotowoltaiki sięgają nawet do 16 GWp mocy zainstalowanej, co przy obecnych niespełna 7,1 GW (na koniec listopada 2021 r.) wskazuje na dalszy dynamiczny rozwój tej technologii pozyskiwania ­energii.

Autor podręcznika będzie wdzięczny za wszelkie uwagi i sugestie czytelników, które w przyszłości umożliwią wprowadzanie zmian w kolejnych ­wydaniach.
Autor

1. Wprowadzenie
Fotowoltaika jest obecnie jednym z najszybciej rozwijających się w Europie i na świecie odnawialnym źródłem energii, tzw. OZE. Słowo 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, jaką jest energia elektryczna. Często błędnie jest używana forma „fotowoltanika”. Jest to zasób energii z punktu widzenia istnienia życia na naszej planecie praktycznie niewyczerpywalny. Problemem jest tylko to, że zasób ten jest nierównomiernie dostępny i jego znaczenie maleje wraz ze wzrostem szerokości geograficznej. Energia słoneczna nie jest też źródłem przystosowanym do zasilania odbiorów w sposób ciągły w czasie trwania doby [1–3].

Zjawisko konwersji fotowoltaicznej zostało odkryte przez francuskiego fizyka Alexandra Edmonda Becquerela już w roku 1839. W roku 1904 Albert Einstein opracował wyjaśnienie teoretyczne tego zjawiska, m.in. za to otrzymał w 1921 roku nagrodę Nobla. W historii rozwoju fotowoltaiki zapisał się również nasz rodak, prof. Jan Czochralski, który w 1918 roku odkrył metodę produkcji krzemu monokrystalicznego. Osiągnięcie to umożliwiło wytwarzanie monokrystalicznych ogniw słonecznych. W roku 1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller oraz Gerald Pearson zbudowali pierwsze krzemowe ogniwo PV w laboratorium Bell Labs, które było w stanie pracować z wydajnością zaledwie ok. 4%, ale uznawane jest za pioniera współczesnych krzemowych ogniw PV. Już od roku 1958 ogniwa PV były wykorzystywane do zasilania satelitów w badaniu ­kosmosu.

Zastosowania naziemne fotowoltaiki zaczęły się pojawiać dopiero w połowie lat 70. XX wieku. Od tego czasu zaobserwowano prawo empiryczne, wynikające z obserwacji dotyczącej trendu cenowego dla ogniw PV, zgodnie z którym każde podwojenie zdolności produkcyjnych przemysłu powoduje spadek cen ogniw o ok. 20%. Nazwa tego prawa pochodzi od nazwiska Richarda Swansona, założyciela firmy produkującej ogniwa słoneczne SunPower Corporation. Zaskakujące jest to, że prawo to obowiązuje nadal, pomimo różnych zjawisk rynkowych w tak długim ­okresie.

Znaczący rozwój fotowoltaiki w Polsce rozpoczął się dopiero od roku 2015, po wejściu w życie ustawy o OZE (z dnia 20 lutego 2015 r. z późniejszymi zmianami). Niestety, polski model energetyki prosumenckiej nie przewidywał taryf gwarantowanych (feed in tariff), a jedynie rozliczenia na zasadzie tzw. opustów, czyli rozliczeń energii netto (net metering). A prosument to konsument i jednocześnie producent energii, ale jedynie na zaspokojenie własnych ­potrzeb. Niepokojące są zmiany sposobu rozliczeń prosumentów od 1 kwietnia 2022 r., polegające na zamianie systemu net metering (bilansowania ilościowego energii netto) na system net billing (bilansowanie wartościowego energii).

Według danych Agencji Rynku Energii na koniec grudnia 2020 roku całkowita moc zainstalowana fotowoltaiki w Polsce wyniosła 3,96 GW. Oznacza to wzrost o 259% w stosunku do grudnia 2019 r. Łączna moc zainstalowana wszystkich źródeł energii elektrycznej wyniosła w grudniu 2020 roku 51,86 GW. W tym bilansie wszystkie OZE mają udział 12,5%, a wśród nich fotowoltaika plasuje się na drugiej pozycji (z 32% udziałem wśród wszystkich OZE), a wyprzedzają ją tylko elektrownie wiatrowe. Dalszy rozwój fotowoltaiki w Polsce będzie najprawdopodobniej udziałem dużych instalacji – farm PV o mocach powyżej 1 MW. Według danych Urzędu Regulacji Energetyki (URE) w Polsce jest niewiele instalacji o mocy powyżej 1 MW, a największa elektrownia PV znajduje się w Brudzewie w powiecie kolskim o mocy 70 MW. Powstała ona na terenach po kopalni węgla brunatnego, jest zbudowana z 155 tysięcy modułów o mocy 455 W każdy i zajmuje powierzchnię ok. 100 ha.