Fotowoltaika - jaka moc paneli fotowoltaicznych? Ile kw na m2?

Odpowiedni dobór instalacji

Posadowienie instalacji fotowoltaicznej, czyli orientacja dachu w kierunkach stron świata oraz pochył połaci przewidzianej pod instalację, bezpośrednio przekłada się na wydajność pracy. Poniższa tabela przedstawia zależność wykorzystania potencjału instalacji od jej orientacji oraz kąta pochylenia.

Na podstawie powyższej tabeli można stwierdzić, iż orientacja południowa lub jej bliska oraz zakres pochyłu między 20 a 40 stopni stanowią najlepsze warunki do pracy instalacji, gdyż jej potencjalna moc szczytowa jest wykorzystywana praktycznie w 100%. Gdy orientacja dachu odbiega od południa, wartość wykorzystania potencjału instalacji spada. W przypadku instalacji zorientowanej na strony wschód–zachód, wydajność instalacji w stosunku do orientacji południowej może być niższa nawet o 20%. W przypadku, gdy kupujemy instalację z myślą o zminimalizowaniu kosztów energii elektrycznej, wzięcie pod uwagę powyższych warunków w celu odpowiedniego przewymiarowania instalacji pozwala na dobranie instalacji, która spełni nasze potrzeby energetyczne.

Przykład: Zużycie roczne wynosi 5000 kWh. Zakładając potrzebę całkowitego pokrycia zapotrzebowania energetycznego przez instalację fotowoltaiczną oraz system net-billingu, moc instalacji powinna stanowić 120% rocznego zużycia energii. Zgodnie z założeniami, celem odpowiedniego przewymiarowania instalacji należy wykonać następujące obliczenia

Warto zauważyć, iż zużycie przemnażamy przez współczynnik 1,25. Dzięki temu końcowa wartość mocy instalacji jest wystarczająco wysoka i pozwoli na pokrycie całego zapotrzebowania budynku. Jeśli budynek, na którym planujemy instalację jest zorientowany w stronę południową lub w okolicach południa, powyższy krok wystarcza do odpowiedniego przewymiarowania instalacji na potrzeby energetyczne. Gdy mamy do czynienia z dachem ustawionym w strony wschód-zachód, należy wziąć pod uwagę stratę produkcji spowodowaną orientacją dachu oraz jego pochyłu. W takiej sytuacji, przy założeniu orientacji wschód–zachód oraz pochyłu na poziomie 45° (strata na poziomie 20%), celem odpowiedniego przewymiarowania instalacji, po wykonaniu obliczeń związanych z systemem net-billing, należy wykonać następujące obliczenia :

W ostatecznym rozliczeniu, po uwzględnieniu systemu net-biling oraz warunków dachowych, instalacja o mocy 7,81 kWp, zorientowana na dachu wschód–zachód o kącie pochylenia 45° powinna całkowicie pokryć potrzeby budynku o zużyciu rocznym wynoszącym 5000 kWh

Falownik szeregowy a optymalizatory mocy

Każda instalacja współpracująca z siecią energetyczną bazuje na falowniku szeregowym. W niektórych sytuacjach można do systemu dołączyć optymalizatory mocy. Falowniki szeregowe – moduły fotowoltaiczne wpięte w te falowniki – są połączone ze sobą szeregowo (jeden za drugim). Jeśli jeden z modułów z jakiegoś powodu, np. zacienienie, spadnie z mocą produkcji, każdy moduł w tym szeregu będzie zmuszony pracować z mocą tego zacienionego. Współpracę falownika szeregowego z modułami można porównać do pracy wioślarzy podczas wyścigu. Gdy strok nadaje optymalny rytm pracy, wszyscy wioślarze pracują z maksymalnym wysiłkiem. Gdy jeden z wioślarzy zwolni na skutek zmęczenia, strok obniża tempo wiosłowania, dostosowując tempo do najsłabiej wiosłującego wioślarza. Tak samo jak strok, falownik musi nadać takie same tempo pracy modułów do niego podłączonych, zależnie od tempa pracy najsłabszego modułu. Poniższy rysunek obrazuje tę zasadę :

Falownik szeregowy, oznaczony powyżej jako „typical system”, obniżył pracę 3 modułów z 100% do 90% ze względu na zacienienie jednego modułu, powodujące spadek jego pracy o 10%. Warto zauważyć, iż ze względu na zacienienie jednego modułu, wydajność pracy całej instalacji spadła w tym przypadku o 10%. Im więcej modułów będzie wpiętych do takiego szeregu, tym strata mocy spowodowana zacienieniem jednego będzie większa.

Niektóre firmy mają w swojej ofercie optymalizatory mocy, które umieszcza się pod modułami fotowoltaicznymi. W przypadku rozwiązań marek SolarEdge czy Huawei, każdy moduł w instalacji posiada swój dedykowany optymalizator. W takim przypadku moduły są połączone z optymalizatorami w sposób równoległy, a optymalizatory są połączone między sobą szeregowo, co tworzy połączenie szeregowo-równoległe.

Optymalizatory mocy umożliwiają regulację prądu poszczególnych modułów, co pozwala na izolację zacienienia tylko do modułu, który faktycznie jest zacieniany. W takich instalacjach każdy moduł jest rozpatrywany przez falownik indywidualnie, dzięki czemu praca jakiegokolwiek modułu nie zależy od tego, jak pracuje reszta instalacji. Na podstawie powyższego rysunku widzimy, że zacienienie jednego modułu nie przenosi się na resztę instalacji, co pozwala na ograniczenie strat mocy spowodowanych zacienieniem z 10% do 2,5% w porównaniu do instalacji opartej o falownik szeregowy.

Firma Tigo oferuje natomiast optymalizatory uniwersalne, mogące współpracować z większością falowników szeregowych na rynku. Dzięki takiemu rozwiązaniu możemy wykorzystać optymalizatory mocy tylko to tych modułów, co do których zacienienie lub częste spadki mocy są nieuniknione.

Szeregi w instalacjach i złącza DC

W przypadku falowników szeregowych projektanci mogą wykorzystać więcej niż jeden szereg, który zostanie wpięty w falownik. Stosuje się to w przypadku, gdy chcemy stworzyć separację wewnątrz instalacji celem ograniczenia strat mocy spowodowanych zacienieniem lub gdy łańcuch modułów jest zbyt długi – generuje zbyt wysokie napięcie, co skutkuje przekroczeniem parametrów wejściowych falownika. Każdy falownik dostępny na rynku ma wejścia DC, które umożliwiają wpięcie konkretnej liczby szeregów.

Jak widać na powyższym zdjęciu, każde wejście DC składa się z dwóch wtyczek, jedno z oznaczeniem „+”, drugie z oznaczeniem „-”. Falownik widoczny na zdjęciu ma dostępne 2 złącza DC, co oznacza, iż można do niego wpiąć 2 niezależnie od siebie pracujące szeregi. Celem zobrazowania idei rozdziału instalacji na więcej niż jeden szereg, rozpatrzmy następujący przypadek. Instalacja oparta o 28 modułów i falownik szeregowy. Falownik ten posiada 2 złącza DC, co umożliwia wpięcie do niego dwóch niezależnie pracujących od siebie szeregów. Dach budynku zorientowany jest w stronę wschodnią oraz zachodnią. Wpięcie wszystkich modułów (położonych na wschodzie i zachodzie) w jeden szereg doprowadziłoby do sytuacji, gdzie instalacja praktycznie nie pracuje. Pomimo porannego nasłonecznienia połaci wschodniej, połać zachodnia ze względu na znikome nasłonecznienie obniży produkcję połaci wschodniej do drastycznie niskiego poziomu. Gdy nastanie popołudnie, sytuacja się odwróci. Aby umożliwić takiej instalacji wydajną pracę i ograniczyć straty mocy spowodowane zacienieniami, wszystkie moduły zorientowane w stronę wschodnią wpinamy w jeden szereg, moduły zachodnie zaś w drugi szereg. Zostało to przedstawione na poniższym rysunku.

Dzięki takiemu rozwiązaniu zacienienie modułu z górnego szeregu nie doprowadzi do spadku wydajności modułów podłączonych do dolnego szeregu.

Instalacje powyżej 6,5 kWp

Gdy moc instalacji (sumaryczna moc modułów) przekracza 6,5 kWp, według przepisów przeciwpożarowych instalacja powinna zawierać urządzenie zdolne do odcięcia napięcia na modułach fotowoltaicznych celem np. bezpiecznego gaszenia dachu w przypadku pożaru. Urządzeniem spełniającym taką funkcję jest wyłącznik przeciwpożarowy marki Projoy. Montowany między pierwszym modułem w instalacji a falownikiem, umożliwia stworzenie przerwy w obwodzie moduły-falownik. Przy wyłączeniu zasilania budynku bądź poprzez zdalną aktywację (np. za pomocą przycisku awaryjnego), wyłącznik rozłączy obwód. Dodatkowo w przypadku detekcji temperatury powyżej 70°C automatycznie się aktywuje. Podobnie jest w przypadku prac konserwacyjnych prowadzonych przez zakład energetyczny. Po zaniku napięcia w sieci AC wyłącznik PEFS automatycznie rozłączy obwód DC w instalacji fotowoltaicznej, powodując odcięcie napięcia po stronie AC falownika, wpływając tym samym na jego żywotność. Wyłącznik bezpieczeństwa Projoy przyda się również podczas prac naprawczych lub konserwacyjnych prowadzonych w ramach instalacji fotowoltaicznej klienta.

Przewymiarowanie oraz niedowymiarowanie falownika (ile modułów można dołożyć na istniejącym falowniku bez konieczności jego wymiany)

Aby instalacja fotowoltaiczna działała z maksymalną wydajnością, stosunek mocy instalacji do mocy falownika musi zawierać się w odpowiednich granicach.

Jeśli moc dobranego przez projektanta falownika przekracza sumaryczną moc instalacji wpiętej do tego falownika, mamy do czynienia z niedowymiarowaniem tego falownika. Przykładowo: moc instalacji wynosi 4,5 kWp, a moc dobranego falownika wynosi 5 kW.

Jeśli moc dobranego przez projektanta falownika jest mniejsza od mocy instalacji wpiętej do tego falownika, mamy do czynienia z przewymiarowaniem tego falownika. Przykładowo sumaryczna moc instalacji wynosi 6 kWp, a moc dobranego falownika wynosi 5 kW.

Maksymalny poziom niedowymiarowania falownika zapewniający prawidłową pracę instalacji wynosi 10%. Przykładowo, gdy moc falownika wynosi 5 kW, minimalna instalacja, którą należy wpiąć w taki falownik wynosi 4,5 kWp.

Niedowymiarowanie falownika powyżej 10% skutkuje częstszym pojawianiem się niższego napięcia dostarczanego do falownika, a co za tym idzie rzadszym uruchamianiem się falownika i niższą produkcją.

Maksymalny poziom przewymiarowania falownika wynosi 15%. Przykładowo: do falownika o mocy 5 kW można dobrać instalację o maksymalnej mocy 5,75 kWp, aby zachować poprawny charakter pracy instalacji.

Przewymiarowanie falownika powyżej 15% skutkuje częstszym pojawianiem się zbyt wysokiego napięcia dostarczanego do falownika, które wymusza zaprzestanie produkcji celem ochrony tranzystorów mocy falownika.

Należy również nadmienić, iż maksymalne przewymiarowanie 15% dotyczy instalacji zorientowanej całkowicie w stronę południową. W przypadku instalacji wschód–zachód poziom przewymiarowania może wynosić 20% lub nawet 25% ze względu na fakt, iż wszystkie moduły w instalacji nigdy nie będą pracować jednocześnie, co znacznie zmniejsza ryzyko wygenerowania się zbyt wysokiego napięcia.

Dobór konkretnego modelu falownika zależy od parametrów podanych w karcie katalogowej, orientacji budynku oraz decyzji projektanta, jednak powyższa wiedza pomaga odpowiedzieć na pytanie, o ile modułów można rozbudować istniejącą instalację bez konieczności wymiany falownika na większy.

Zabezpieczenia w instalacji fotowoltaicznej

Każda instalacja fotowoltaiczna powinna zostać odpowiednio zabezpieczona. Poniżej przedstawiono poprawnie wykonaną instalację fotowoltaiczną.

Patrząc od strony lewej, najpierw umieszczona jest rozdzielnica AC (1) z ogranicznikiem przeciwprzepięciowym oraz wyłącznikiem przeciwprądowym. Następnie falownik (2), a po jego prawej stronie rozdzielnica DC (3) z ogranicznikiem przeciwprzepięciowym DC. Na prawo od listwy znajduje się szyna wyrównująca potencjał (4), do której podłączone są wszystkie przewody ochronne instalacji. Czarną rurą karbowaną poprowadzone jest w dół uziemienie instalacji (5), a w górę przewód zasilający poprowadzony jest do rozdzielnicy głównej budynku (6). Całość zapewnia bezpieczeństwo dla modułów, falownika i sieci budynku.

Falowniki hybrydowe

Baterie w systemach fotowoltaicznych stają się coraz bardziej popularne. Warto jednak wiedzieć, iż nie każdy falownik ma możliwość współpracy z zestawem bateryjnym. Falownikami, które potrafią współpracować zarówno z siecią, jak i z bateriami są falowniki hybrydowe. Przykładem takiego urządzenia jest falownik HYD marki Sofar Solar.

Największą zaletą falowników hybrydowych jest to, iż potrafią działać zarówno, gdy na sieci energetycznej jest napięcie, jak i gdy napięcia nie ma. Jednak podczas pracy off-grid (bez obecności sieci) falownik ten z pomocą baterii jest w stanie zasilać tzw. obwody krytyczne, czyli obwody z podłączonymi urządzeniami, co do których wymagamy ciągłości pracy (np. lodówka, sterownik kotła, alarm). Gdy na sieci jest napięcie, falownik poprzez oprogramowanie i ustawienia użytkownika rozdysponowuje wyprodukowaną energią poprzez obciążenie budynku, zestaw bateryjny i sieć. Dzięki takiemu rozwiązaniu znacznie więcej energii możemy wykorzystać bezpośrednio w budynku bez sprzedaży jej do sieci, co w obecnym systemie rozliczeń i planowanych zmian znacząco wpływa na opłacalność i okres zwrotu inwestycji, jaką jest instalacja fotowoltaiczna.

Przykładem zestawu bateryjnego współpracującego z falownikiem hybrydowym marki Sofar Solar jest zestaw BTS. Dzięki modularnej strukturze można dopasować jego pojemność do własnych potrzeb.

Zestaw składa się z systemu zarządzania baterią (BMS, z ang. Battery Managment System), który dba o żywotność i zdrowie baterii oraz akumulatorów. Do jednego BMS można wpiąć do 4 akumulatorów o pojemności 5 kWh każdy. Warto zaznaczyć, iż jest to bateria trójfazowa, mogąca zasilać 3 obwody krytyczne jednofazowe jednocześnie w ramach zasilania awaryjnego. Dodatkowo dzięki nowoczesnym rozwiązaniom rozbudowa baterii o kolejne akumulatory nie stanowi problemu, nawet po roku od rozpoczęcia pracy zestawu

Jak działa net-billing ?

W jaki sposób właściciel instalacji fotowoltaicznej rozlicza się z wyprodukowanej nadwyżki?

W przeciwieństwie do wcześniej obowiązującego systemu net-meteringu, gdzie nadwyżkę produkcji liczono w kWh, system net-billingu opiera się na handlu nadwyżką produkcji energii elektrycznej po konkretnych cenach

Po jakiej cenie właściciel instalacji fotowoltaicznej sprzedaje wyprodukowaną nadwyżkę energii?

Cena sprzedaży nadwyżki energii ustalana jest raz w miesiącu i obowiązuje w miesiącu następnym. Cena z czerwca obowiązuje cały lipiec, cena z lipca obowiązuje cały sierpień i tak dalej. Oficjalna cena sprzedaży nadwyżki jest publikowana na oficjalnej stronie PSE (Polskie Sieci Elektroenergetyczne) pod nazwą parametru RCEm.

Jak widać z powyższej tabelki, obliczona cena sprzedaży obowiązująca w miesiącu wrześniu wynosiła 1023,42 zł/MWh, co przenosi się na cenę 1,02 zł/kWh

Po jakiej cenie właściciel instalacji fotowoltaicznej odkupuje sprzedaną nadwyżkę energii?

W sytuacji, gdy budynek potrzebuje energii elektrycznej z sieci, należy ją kupić. Cena kupna tejże energii zależy od stawki, po której właściciel licznika standardowo kupuje energię elektryczną.

Średnia cena taryfowa energii elektrycznej w 2022 r. mieści się w zakresie 0,72-0,8 zł/kWh. Warto dodać, iż w systemie net-billingu właściciel instalacji ponosi koszty opłaty dystrybucyjnej zmiennej.

Jak wygląda proces rozliczania energii w net-billingu?

W każdym miesiącu kalendarzowym dla właściciela instalacji fotowoltaicznej tworzony jest depozyt prosumencki. W trakcie trwania miesiąca depozyt zasilany jest wartością sprzedanej nadwyżki energii po aktualnej cenie miesięcznej (w miesiącu sierpniu 2022 r. wynosiła ona 0,799 zł/kWh). W przypadku zapotrzebowania energii z sieci za każdą kWh z niej pobranej płacimy po stawce taryfowej. Z końcem miesiąca wartość zawarta w depozycie przechodzi na depozyt następnego miesiąca. Raz na dwanaście miesięcy sprawdzana jest wartość w depozycie. Jeśli jest ona dodatnia, zwracana jest ona do właściciela instalacji, jednak nie więcej niż 20% wartości depozytu. Cały proces przedstawia poniższy schemat

Ile wynosić będzie ostateczny rachunek za prąd?

Ważne jest, aby nadmienić, iż za pomocą depozytu prosumenckiego możemy opłacić koszty energii elektrycznej. Poza nimi rachunek za prąd zawiera również opłaty dystrybucyjne, które należy opłacić.

Rozpatrując powyższe informacje na przykładzie, jeśli nasz rachunek za prąd wynosi 330 zł, z czego 250 zł stanowi opłata za energię elektryczną, a 80 zł - opłaty dystrybucyjne, po wykorzystaniu wartości zgromadzonej w depozycie prosumenckim, nasz ostateczny rachunek będzie wynosić 80 zł. Dzięki temu nasz rachunek zostaje obniżony o 75%.

Fotowoltaika

Sprawdź naszą ofertę