Budowa instalacji fotowoltaicznej – elementy systemu i ich zadania

Instalacja fotowoltaiczna to nie tylko widoczne z daleka panele solarne. Przeczytaj, z jakich jeszcze elementów się składa – i czy wszystkie są ci potrzebne.

Ten tekst powstał z myślą o osobach, których wiedza na temat fotowoltaiki nie jest jeszcze zbyt rozległa. Dzięki niemu poznasz nazwy najważniejszych części domowego systemu zamieniającego energię słoneczną w prąd i zrozumiesz, do czego służy każda z nich. Pozwoli ci to nie tylko błysnąć wiedzą przed znajomymi, ale przede wszystkim ułatwi rzeczową rozmowę z instalatorem takiego systemu, jeśli zdecydujesz się na jego montaż.

W artykule piszemy m.in.:

• czym charakteryzują się ogniwa, moduły i panele fotowoltaiczne,
• jakie są sposoby montażu instalacji PV,
• co to jest falownik – i w jakich odmianach występuje,
• kiedy instalację PV należy wyposażyć w inwerter, a kiedy w mikroinwertery,
• jaką rolę w instalacji fotowoltaicznej odgrywają optymalizatory,
• jakimi cechami powinno się odznaczać okablowanie instalacji PV,
• jakie zabezpieczenia stosuje się w systemach fotowoltaicznych,
• czym charakteryzują się akumulatory w instalacjach PV,
• jaką funkcję pełni kontroler naładowania akumulatora,
• czym się różnią wolnostojące, hybrydowe i sieciowe systemy fotowoltaiczne.

Panele, moduły, ogniwa

Instalacje fotowoltaiczne często określa się też skrótowo jako instalacje PV, od angielskiego słowa „photovoltaics”. Najbardziej charakterystycznym elementem każdej z nich są natomiast panele solarne, które też mają więcej niż jedną nazwę. Panele słoneczne, panele fotowoltaiczne, panele PV lub potocznie: baterie słoneczne… Za każdym razem chodzi te same gładkie tafle, które przekształcają energię promieni słonecznych w energię elektryczną. Jeśli interesują cię szczegóły tego procesu, przeczytaj artykuł „Ogniwa fotowoltaiczne – budowa i zasada działania”. Panele składają się właśnie z takich ogniw, połączonych w moduły.

Ogniwa

Pojedyncze ogniwa, które spotkać można w przydomowych instalacjach PV, to zazwyczaj krzemowe płytki o grubości od 200 do 400 mikronów. Dla porównania: grubość ludzkiego włosa to 30-120 mikronów. Ale istnieją też znacznie cieńsze, bo zaledwie kilkumikronowe ogniwa fotowoltaiczne – cechują się niestety znacznie niższą wydajnością i w tej chwili wykorzystywane są przede wszystkim do zasilania urządzeń o małej mocy, takich jak zegarki czy kalkulatory. Na drugim końcu skali, jeśli chodzi o efektywność, są z kolei bardzo drogie i używane głównie w kosmosie ogniwa wytworzone nie z krzemu, tylko z arsenku galu.

Wróćmy jednak do paneli, które możesz zainstalować u siebie. W ich przypadku ogniwa dzielą się zasadniczo na dwa rodzaje:

• krzemowe monokrystaliczne (albo po prostu: krystaliczne) – czarne, znacznie droższe w produkcji, ale też cechujące się większą sprawnością i dłuższą żywotnością,
• krzemowe polikrystaliczne – to te bardziej niebieskie; są nieco mniej wydajne, ale za to tańsze.

Moduły

Z pojedynczego ogniwa uzyskać można 1-2 W energii. To niewiele. Ogniwa są więc łączone – zwykle po 18-180 sztuk, szeregowo lub równolegle – w moduły fotowoltaiczne. Te dostępne na rynku mają powierzchnię od 0,3 do 1 m kw., a ich moc wyraża się zazwyczaj nie w watach, tylko w tzw. watach mocy szczytowej, czyli możliwej do uzyskania w optymalnych warunkach nasłonecznienia (ang. Watt peak, stąd zapis np. 100 Wp).

Moduły zabezpieczane są przed korozją, wilgocią i szkodliwym wpływem warunków atmosferycznych specjalną folią i hartowanym szkłem, tak by przetrwały co najmniej 20 lat. Warto wiedzieć, że produkuje się też już obecnie moduły fotowoltaiczne „do zadań specjalnych”, np. wyjątkowo odporne na słoną wodę morską, półprzezroczyste (zdolne więc zastąpić szyby w oknach) lub zintegrowane z dachami i fasadami budynków – a nie montowane na nich.

System montażowy

To rozwiązania jednak dość drogie, zatem nie tak popularne jak klasyczne instalacje PV wykorzystujące system montażowy. To od jego położenia zresztą zaczyna się wykonanie takiej instalacji – panele mocuje się na nim dopiero w dalszej kolejności. Konstrukcja nośna to zazwyczaj wykonane z aluminium lub stali nierdzewnej szyny umieszczane na gruncie albo dachu. Instalacje gruntowe wbija się kafarem w podłoże lub sadowi na fundamentach, te dachowe natomiast przytwierdza się do więźby bądź poszycia przy użyciu specjalnych haków lub kotew.

Jeżeli dach jest płaski i wystarczająco wytrzymały, konstrukcję można nie tyle przykręcić czy zakotwiczyć, ile – podobnie jak na gruncie – po prostu ją dociążyć, tak by paneli nie zerwał silny wiatr. System montażowy oczywiście również zabezpieczany jest przed niekorzystnym wpływem warunków pogodowych, musi w końcu wytrzymać co najmniej dwie dekady. Sam z kolei chroni ogniwa nie tylko przed odfrunięciem np. podczas burzy, ale też przed ich przegrzaniem, zapewniając właściwą wentylację.

Panele słoneczne ułożone są na wspomnianych szynach, najczęściej szeregowo (rzędami), i przytwierdzone do nich śrubami oraz zaciskami. Na gruncie lub na dachu płaskim da się je ustawić przy użyciu trójkątnych podpór w najlepszym możliwym kierunku i pod dowolnym kątem. Umiejętny dobór tych parametrów – jak również rozmieszczenie paneli tak, by o żadnej porze dnia nie ocieniały się nawzajem – pozwala zmaksymalizować wydajność całej instalacji. Mimo więc że jej montaż teoretycznie sam w sobie nie jest zbyt skomplikowany, warto powierzyć go doświadczonym fachowcom. Inne argumenty przemawiające za tym rozwiązaniem to chociażby niemała waga pojedynczego panelu (ok. 25 kg) czy sprawniejszy przebieg całego procesu: ekipa doświadczonych monterów upora się ze wszystkim w zaledwie parę dni.

Inwerter, czyli falownik

Kiedy już konstrukcja nośna systemu PV i umieszczone na niej panele znajdują się w odpowiednim miejscu, pora na montaż urządzenia zwanego inwerterem albo falownikiem. To jeden z najważniejszych elementów całej instalacji fotowoltaicznej – a może nawet najważniejszy, bo z samych paneli nie będzie wielkiego pożytku. Dlaczego? Ano dlatego, że wytwarzają one prąd stały, tymczasem urządzenia elektryczne podłączane do domowych gniazdek wykorzystują prąd zmienny. Inwerter natomiast przemienia jeden rodzaj prądu w drugi, nadając mu właściwe parametry.

Warto wspomnieć, że falowniki mocno nagrzewają się w trakcie pracy, mają też o wiele bardziej złożoną i delikatną budowę niż panele słoneczne. W związku z tym też ich żywotność jest znacząco krótsza: okres gwarancji wynosi tu z reguły od 5 do 10 lat (czasami może ulec wydłużeniu, o ile urządzenie jest odpowiednio serwisowane). W zależności od konkretnych potrzeb do wyboru są różne rodzaje inwerterów, m.in. jedno- bądź trójfazowe, łańcuchowe i centralne, sieciowe albo wyspowe (inaczej: on-grid albo off-grid), a także mieszane. Niektóre falowniki mają ponadto wbudowany miernik produkowanej energii lub bardziej rozbudowany system analizy danych (takich jak pogoda, zużycie prądu czy parametry sieci).

Przeciętna domowa instalacja fotowoltaiczna, charakteryzująca się wydajnością na poziomie średnio 4500 kWh, zazwyczaj wyposażona jest w jeden inwerter rozmiarami przypominający podróżną walizę. Montuje się go na ścianie budynku, w możliwie niewielkiej odległości zarówno od paneli, jak i od skrzynki z bezpiecznikami, co pozwala zminimalizować straty energii. W przypadku większych systemów (ok. 7000 kWh) wskazane jest zwiększenie liczby falowników. Co ważne, jeżeli nawet jeden z nich zacznie szwankować, pozostałe pozwolą całej instalacji nadal działać.

Przeczytaj: Falownik fotowoltaiczny (inwerter) – czym jest i jak działa

Mikroinwertery

Dotyczy to też tzw. mikroinwerterów, czyli kilka razy mniejszych urządzeń podłączanych do każdego panelu z osobna. Jest to rozwiązanie droższe i mniej popularne, ale konieczne np. tam, gdzie w ciągu dnia drzewa rzucają przelotnie cień na część paneli albo gdzie te ostatnie są ustawione pod kilkoma różnymi kątami. Bo trzeba wiedzieć, że nawet jeden słabiej doświetlony panel potrafi obniżyć wydajność całej instalacji PV. Mikroinwertery rozwiązują ten problem, bo dzięki nim panele pracują niezależnie od siebie.

Optymalizatory Alternatywą może być wyposażenie systemu fotowoltaicznego w optymalizatory, które obciążają poszczególne moduły tak, by nadać im na wyjściu maksymalną możliwą moc – to, jakie napięcie wytwarzają pozostałe moduły, nie ma wówczas większego znaczenia. Optymalizatory to jeden z „nieobowiązkowych” elementów instalacji solarnej: jeśli jest ona równomiernie nasłoneczniona (albo jeśli zdecydujesz się na mikroinwertery), po prostu nie będą ci potrzebne. Czasem jednak już sam falownik wyposażony jest w urządzenie zwane MPPT, od angielskich słów „Maximum Power Point Tracker” oznaczających śledzenie punktu maksymalnej mocy uzyskiwanej z modułów. Urządzenie to pozwala osiągnąć im taką właśnie moc, automatycznie dostosowując warunki ich pracy (czyli głównie napięcie) do nasłonecznienia. Trzeba jednak pamiętać, że nie zawsze będzie to najkorzystniejsze rozwiązanie. Czasem funkcjonowanie panelu przy ustalonym napięciu wyjściowym może okazać się bardziej opłacalne.

Okablowanie

Wszystkie wymienione wyżej elementy muszą oczywiście zostać połączone kablami przewodzącymi wytwarzaną energię. Kable te nazywa się czasem kablami solarnymi lub przewodami solarnymi. Ponieważ biegną na zewnątrz budynku, powinny być odporne nie tylko na wysokie napięcie, ale też na wilgoć, promieniowanie UV i skrajne temperatury. Służy temu co najmniej podwójna izolacja, a często także dodatkowe rury osłonowe. Inne pożądane cechy okablowania instalacji PV to elastyczność, niepalność i bezhalogenowość, czyli brak w składzie pierwiastków halogenowych (chloru, fluoru, bromu, jodu lub astatu), które podczas spalania wydzielają toksyczny dym i powodują korozję metali.

Gdy panele i falownik są już zamontowane, łączy się je najczęściej przy użyciu 4-milimetrowych kabli DC oraz złącz MC4. Z inwertera wychodzi z kolei przewód sieciowy, którym prąd biegnie do skrzynki z bezpiecznikami (i ewentualnie licznika), skąd przekazywany jest do urządzeń w domu, a jego nadwyżki – do akumulatora lub sieci elektroenergetycznej. Między falownikiem i skrzynką bezpieczników instaluje się natomiast ręczny wyłącznik całego obwodu.

Zabezpieczenia

Ze względów bezpieczeństwa system powinien móc się też wyłączyć automatycznie przy zbyt dużym obciążeniu, tak aby nie uległ uszkodzeniu w razie np. awarii, burzy czy mrozu (im niższa temperatura ogniw, tym wyższe napięcie). Zarówno falownik, jak i panele są bardzo wrażliwe na nagłe przepięcia i wyładowania elektryczne, instalację PV koniecznie należy więc wyposażyć w stosowne zabezpieczenia zmienno- i stałoprądowe (AC i DC). Należy do nich chociażby rozdzielnica prądu stałego, ale ochronę przed zbyt wysokim napięciem potrafią zapewnić też mikroinwertery.

Akumulatory

Energia elektryczna siłą rzeczy wytwarzana jest w ogniwach fotowoltaicznych tylko wtedy, gdy są oświetlone. Z drugiej strony sztuczne oświetlenie, zasilane taką właśnie energią, potrzebne jest głównie w nocy, a więc wtedy, gdy instalacja PV nie pracuje. Rozwiązaniem tego problemu może być magazynowanie owej energii w akumulatorach ładowanych prądem stałym bezpośrednio z paneli i pobieranie jej, kiedy jest potrzebna (nie tylko w nocy, ale też po prostu w okresach słabszego nasłonecznienia).

Większość akumulatorów stosowanych w kontekście fotowoltaiki to urządzenia ołowiowo-kwasowe. Te niklowo-kadmowe wykorzystuje się głównie w regionach o ostrzejszym klimacie. Problemem i jednych, i drugich jest niestety wysoka cena oraz relatywnie krótka żywotność: zaledwie 5-7 lat, i to w przypadku akumulatorów naprawdę niezłej jakości. Czas ten może być nieco dłuższy, jeśli ograniczona zostanie maksymalna głębokość rozładowania – albo krótszy, jeśli akumulator nie jest właściwie obsługiwany i serwisowany lub używa się niewłaściwego kontrolera ładowania.

Regulator ładowania akumulatora pozwala ograniczyć głębokość i szybkość jego rozładowania, jak również maksymalny poziom i szybkość ładowania (co ogranicza parowanie elektrolitu). Wartości graniczne powinny być dopasowane z jednej strony do typu akumulatora, a z drugiej – do temperatury jego pracy. Im ta temperatura wyższa, tym szybciej postępują korozja i samorozładowanie, co skraca żywotność urządzenia. Mróz z kolei bardzo źle wpływa na rozładowane akumulatory ołowiowo-kwasowe – w zimie należy zatem pilnować, by nie doszło do ich rozładowania. Na marginesie warto zaznaczyć, że w związku z powyższym moduły fotowoltaiczne przeznaczone do ładowania akumulatorów powinny pracować raczej przy stałym napięciu, uwzględniającym temperaturę otoczenia. Jest to więc jedna z sytuacji, w których użycie wspomnianego wcześniej MPPT nie byłoby wskazane. Uwaga: kontroler napięcia potrzebny jest zawsze, gdy system PV ma zasilać urządzenia na prąd stały!

Systemy wolnostojące, hybrydowe i sieciowe – różnice w budowie

Prace nad zarówno przedłużeniem funkcjonowania, jak i ogólną poprawą sprawności akumulatorów do instalacji PV już trwają. Być może więc systemy tzw. wolnostojące – czyli takie, w których prąd wytwarzany jest wyłącznie przez ogniwa fotowoltaiczne – z czasem staną się bardziej popularne.

Obecnie istnieją dla nich jeszcze dwie podstawowe alternatywy: systemy hybrydowe oraz sieciowe. W systemie hybrydowym oprócz paneli PV istnieje dodatkowe źródło energii, wykorzystywane w okresach gorszego nasłonecznienia (bądź w ogóle jego braku), czyli np. generator spalinowy, wiatrowy lub gazowy. Układ kontrolny w tym przypadku musi zwykle być nieco bardziej złożony niż w systemie wolnostojącym, ale też modułów solarnych może być mniej, co potrafi obniżyć koszt całej instalacji. System hybrydowy jest ponadto z reguły bardziej wydajny, osiągając średnio 50-70% efektywności, podczas gdy dla systemu opartego tylko na akumulatorach wartość ta wynosi raczej 30-60%.

Najwyższa, bo przekraczająca 80%, jest natomiast w systemach sieciowych. Nocą, zimą i przy złej pogodzie prąd jest w nich pobierany tradycyjnie, z sieci elektroenergetycznej, do której z kolei trafiają ewentualne nadwyżki energii wyprodukowanej przez panele PV. W zależności od tego, jak duże będą to nadwyżki, za prąd czerpany z sieci zapłacisz mniej, niż ktoś, kto nie ma instalacji solarnej – albo w ogóle nie zapłacisz! Ważnym elementem budowy systemu fotowoltaicznego będzie więc dwukierunkowy licznik energii. Znika za to całkowicie potrzeba posiadania akumulatora i kontrolera jego naładowania.

Warto wiedzieć
Przyłączenie instalacji o mocy do 40 kW odbywa się na koszt lokalnego dystrybutora prądu, trzeba tylko złożyć u niego wypełniony formularz oświadczenia o posiadaniu takiej instalacji.

Przeczytaj również: Dom ekologiczny – czym się charakteryzuje (materiały, urządzenia, technologie)