Wdrożenie fotowoltaiki - od pomysłu do realizacji

Instalacja paneli fotowoltaicznych (ang. photovoltaics lub PV) zapewnia źródło odnawialnej energii elektrycznej i pozwala na potencjalne oszczędności kosztów gospodarstw domowych i firm. W tej części przedstawimy najważniejsze pojęcia łączące się z zastosowaniem i wdrożeniem tej technologii.

Cykle produkcji i zapotrzebowanie na energię w skali doby oraz roku

Rozważając wdrożenie rozwiązań fotowoltaiki we własnym domu, mieszkaniu lub w firmie należy brać pod uwagę cykl dobowy oraz roczny zapotrzebowania na energię elektryczną. Typowy cykl dobowy zapotrzebowania na energię elektryczną w przypadku domu lub mieszkania dotychczas odznaczał się niewielkim zapotrzebowaniem na energię w ciągu dnia i zwiększonym zapotrzebowaniem na nią wieczorem. Wciąż jeszcze ten model jest typowy, ale wraz z popularyzacją pracy z domu, przestaje już być dominujący. Zestawiając godziny największego zapotrzebowania na energię oraz jej produkcji przez panele łatwo zauważyć dużą rozbieżność. Najwięcej energii elektrycznej z ogniw PV jesteśmy bowiem w stanie uzyskać w południe.

Panele fotowoltaiczne dają najwięcej energii w środku dnia. W domach jednorodzinnych oznacza to rozminięcie się z godzinami największego zapotrzebowania, ale w budynkach biurowych i przemysłowych już nie fot. Depositphotos

Oznacza to, że bazując wyłącznie na energii produkowanej w oparciu o światło słoneczne obserwowalibyśmy niedobory w okresie wieczoru i nocy oraz nadprodukcję w okresie dziennym. Brak dopasowania występuje także w cyklu rocznym, bo w okresie wiosenno-letnim produkowane jest wielokrotnie więcej energii niż w zimowym. O ile problem nierównowagi produkcji i konsumpcji w cyklu dobowym jesteśmy w stanie zrównoważyć gromadzeniem energii w akumulatorach we własnym zakresie, o tyle na niższe wytwarzanie jej w zimie możemy poradzić jedynie poprzez magazynowanie i pobierania prądu z sieci energetycznej.

Omówmy przy okazji ważne pojęcia, którymi posługiwać się będziemy także w dalszej części artykułu.

Status prosumenta i system opustów

Słowo prosument powstało z połączenia pojęć "producent" i "konsument". Prosument to ktoś, kto jednocześnie konsumuje oraz wytwarza energię na swoje potrzeby. W przypadku firm będących prosumentami zakłada się, że jej dominująca działalność gospodarczą nie polega na wytwarzaniu energii elektrycznej. Prosumentem może być również wspólnota i spółdzielnia mieszkaniowa. Wytwarzanie energii elektrycznej nie czyni też z osoby fizycznej, czyli zwykłego Kowalskiego przedsiębiorcy, nie powoduje że musi on od swojej produkcji energii z sieci fotowoltaicznej odprowadzać podatkó.

Dla firm-prosumentów najważniejszą korzyścią jest możliwość rozliczania nadwyżki wyprodukowanej energii oraz uniezależnienia się od zewnętrznych dostawców. Przedsiębiorca może także liczyć na rozliczanie energii w dłuższym cyklu rozliczeniowym. Polega to na oddawaniu do sieci niewykorzystanej energii z możliwością użytkowania jej w okresie, kiedy przedsiębiorca-prosument będzie jej potrzebował. W ten sposób, dzięki wyprodukowaniu dużej ilość energii elektrycznej w okresie wiosenno-letnim firma będzie mogła gospodarować nią także zimą, dzięki czemu znacznie zmniejszy koszt energii w okresie, kiedy jej najbardziej potrzebuje.

Mechanizmem, który pozwala na rozliczanie się prosumenta z zakładem energetycznym, do którego jest podłączony, nazywany jest systemem opustów, czyli netmeteringiem. Netmetering to usługa rozliczenia na podstawie różnicy pomiędzy ilością energii pobranej z sieci przez prosumenta, a energią wyprodukowaną przez jego mikroinstalację fotowoltaiczną. Rachunki za prąd prosumenta obliczane są w taki sposób, że od ilości energii pobranej z sieci  odejmuje się 70 lub 80% energii (zależnie od wielkości instalacji), którą do niej przekazał.

On-grid czy off-grid?

Instalacja on-grid oznacza, że system fotowoltaiczny prosumenta przyłączony jest do sieci należącej do operatora. PV prosumenta zapewnia płynne oddawanie i pobieranie prądu do sieci i rozliczenie jego produkcji oraz zużycia z zakładem energetycznym. Warto podkreślić, że ten rodzaj instalacji nie sprawi, że właściciel instalacji stanie się niezależny od operatora energetycznego. Przeciwnie, każda awaria sieci powoduje, że właściciel mikroelektrowni fotowoltaicznej także zostaje odcięty od dostaw prądu. Ze względów bezpieczeństwa (ryzyko "podania" napięcia do wyłączonej sieci) jego mikroelektrownia także przestaje dostarczać prąd. System ten nie rozwiązuje zatem problemu związanego z uzależnieniem od dostawcy energii.

Niezależność gwarantuje za to instalacja off-grid lub inaczej system wyspowy. Polega on na podłączeniu instalacji fotowoltaicznej do akumulatora lub do instalacji składającej się z zespołu akumulatorów, gdzie magazynowane są nadwyżki wyprodukowanej energii. W praktyce rozwiązanie, w którym instalacja fotowoltaiczna nie ma w ogóle połączenia z siecią operatora jest bardzo rzadko spotykane. Znajduje ona zastosowanie w przypadku braku możliwości podłączenia się do sieci energetycznej lub kiedy dostęp ten jest utrudniony. Z kolei czerpanie energii z akumulatorów staje się nieodzowne także w przypadku rozwiązań on-grid, gdy zasilanie sieciowe charakteryzuje się częstymi przerwami w dostawach prądu.

	On-grid	Off-grid
Zalety	Możliwość znaczącego obniżenia kosztów energii elektrycznej Obniżenie opłaty mocowej pobieranej przez operatora od odbiorców podłączonych do linii przesyłowych i sieci dystrybucyjnej Dzięki zastosowaniu instalacji akumulatorowej do magazynowania energii w sieci on-grid można zmniejszyć opłaty za moc bierną.	Możliwość znaczącego obniżenia kosztów energii elektrycznej Niezależność od operatora sieci energetycznej Brak opłat pobieranych przez operatora od odbiorców podłączonych do linii przesyłowych i sieci dystrybucyjnej
Wady	Zależność od operatora sieci energetycznej	Wyższe koszty związane z koniecznością zakupu instalacji akumulatorowej do przechowywania energii Pewne straty przechowywanej w akumulatorach energii

Istnieje także możliwość instalacji rozwiązania hybrydowego, które pozwala korzystać z zasobów zakładu energetycznego, ale daje nam także pełną niezależność od tego dostawcy prądu. Wówczas, w sytuacji, gdy następuje przerwa w dostawie prądu od operatora energetycznego instalacja jest w stanie funkcjonować dalej samodzielnie. Ponadto, magazyn energii umożliwia zmniejszenie jej szczytowego poboru z sieci.

W naszym klimaciepraktycznie tylko w niewielkich budynkach letniskowych buduje się systemy nie połączone w ogóle z siecią (off-grid) fot. Depositphotos

Co wpływa na opłacalność inwestycji?

Opłacalności inwestycji w panele fotowoltaiczne zależy od kilku czynników. Na część z nich nie mamy wpływu, a są to m.in.:

• warunki pogodowe,
• układ dachu, który powoduje że słońce operuje na nim w bardziej lub mniej sprzyjających warunkach,
• stawki ustalane przez operatora na podstawie aktualnych regulacji prawnych.

Są jednak także takie parametry, które sami możemy dobrać, by zoptymalizować naszą inwestycję. Przyjrzyjmy się im szczegółowo.

Koszt instalacji fotowoltaicznej obejmuje:

• przygotowanie projektu instalacji
• zakup fotoogniw, czyli paneli fotowoltaicznych
• zakup osprzętu elektrycznego, w tym przede wszystkim inwertera (falownika) odpowiedzialnego za dostosowanie parametrów prądu do instalacji elektrycznej w budynku, przewodów, konstrukcji do
• montażu, zabezpieczeń przeciwporażeniowych i przeciwpożarowych itd.
• usługę instalacji i montażu

Łączny koszt zakupu obejmuje nie tylko panele solarne, ale także ich transport i montaż. Jak szacuje Stowarzyszenie Branży Fotowoltaicznej POLSKA PV zainstalowanie 1 kWp (1 jednostki paneli fotowoltaicznych) w mikroinstalacji fotowoltaicznej kosztuje średnio około 4100 zł netto¹. Porównajmy te dane do konsumpcji energii. Według danych GUS w 2019 roku zużycie energii elektrycznej na jedno gospodarstwo domowe wyniosło średnio 1963,9 kWh².  

W przypadku mieszkań jest ono zazwyczaj niższe niż w przypadku domów jednorodzinnych. Zwykle, jesteśmy jednak w stanie dopasować moc potrzebną w naszej instalacji na podstawie wartości rachunków i wykazywanej przez zakład energetyczny pobieranej przez nas mocy z sieci. W uproszczeniu, do obliczenia potrzebnej mocy PV zwykle przyjmuje się, że instalacja fotowoltaiczna, która ma wygenerować 1000 kWh potrzebuje 1 kWp mocy paneli. Najczęściej jednak powiększamy nieco tę wartość, żeby uwzględnić stratę wynikającą z systemu opustów. Jeżeli zatem nasze średnie zużycie wynosi 3000 kWh rocznie, to powinniśmy zainstalować panele o mocy 3,50–3,75 kWp.

W praktyce zatem, aby zapewnić wystarczającą energię do zasilania urządzeń w gospodarstwie domowym zużywającym około 3000 kWh rocznie potrzebna jest moc paneli przynajmniej 3,50 kWp, co kosztować będzie inwestora średnio około 20 tys. złotych i zapewni przy obecnych kosztach energii oszczędności około 2200 zł rocznie.

Dla przedsiębiorcy kryteria opłacalności będą zupełnie inne niż dla właściciela domu jednorodzinnego. Ponadto inwestycja w fotowoltaikę może być częścią wizerunku firmy fot. Depositphotos

Elementy wchodzące w skład instalacji

W typowej instalacji fotowoltaicznej występują zwykle następujące elementy:

1. Panele fotowoltaiczne.
2. Regulator ładowania sterujący prądem i napięciem w układzie paneli. Urządzenie to odpowiada za właściwy poziom naładowania akumulatora dbając o to, by nie rozładował się on do wartości grożącej uszkodzeniem oraz żeby nie doszło do jego przeładowania.
3. Falownik, czyli inaczej inwerter odpowiada za zamianę prądu stałego generowanego w panelach fotowoltaicznych w prąd przemienny, czyli taki jaki używany jest w gniazdku. Służy także do monitorowania działania instalacji oraz pełni funkcje zabezpieczające.
4. Licznik energii instalowany przez zakład energetyczny.
5. Dom lub firma wyposażone w odbiorniki energii elektrycznej.
6. Sieć energetyczna łącząca instalację z operatorem.
7. Układ magazynowania energii.

Schemat instalacji fotowoltaicznej on-grid z magazynowaniem energii fot. Zeneris

Rodzaje paneli fotowoltaicznych

Panele montowane na dachu bądź na podłożu składają się z ogniw fotowoltaicznych połączonych w moduły. Są one odpowiednio zabezpieczone przed działaniem czynników zewnętrznych poprzez nałożoną na nie powłokę antyrefleksyjną i szkło. Całość oprawiona w utrzymującą ją w całości ramę tworzy panel. Ogniwa są układami zbudowanymi z materiału półprzewodnikowego, który przewodzi ładunek elektryczny. W ogniwach pod wpływem słońca zachodzi zjawisko fotowoltaiczne (efekt fotowoltaiczny).

Rodzaje paneli wyróżnia użyty w nim rodzaj ogniw. Natomiast wybór pomiędzy montażem na dachu skośnym lub na osobnej konstrukcji wsporczej umieszczonej na gruncie lub na dachu płaskim jest jedną z najistotniejszych decyzji. Musimy przy niej uwzględnić nie tylko warunki oferowane przez budynek i działkę, ale również konsekwencje zastosowania każdego z tych rozwiązań. Będzie to np.:

• orientacja względem stron świata,
• kąt nachylenia,
• łatwość montażu i późniejszej konserwacji itd.

Przyłączenie instalacji fotowoltaicznej on-grid i hybrydowych do sieci energetycznej

Mikroinstalacje przystosowane do wytwarzania energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii mogą być zgodnie z prawem podłączone do sieci energetycznej. Zgłoszenia podłączenia instalacji paneli fotowoltaicznych dokonuje się u dystrybutora energii, co wiąże się z wymianą licznika na dwukierunkowy oraz podpisaniem nowej umowy.

Przyłączenie mikroinstalacji fotowoltaicznej do sieci dystrybucyjnej reguluje art. 7 ustawy Prawo energetyczne (Dz. U. z 2012r. Nr 1059 z późn. zm.). Aby skorzystać z tej możliwości odnawialne źródło energii musi cechować łączna moc instalacji nie większa niż 50 kW. O przyłączenie do sieci może starać się osoba fizyczna nie będąca przedsiębiorcą, osoba fizyczna prowadząca działalność gospodarczą oraz inne podmioty. Za przyłączenie do sieci elektroenergetycznej mikroinstalacji nie jest pobierana opłata przez sieć energetyczną. Budowa samej mikroinstalacji, jak i podłączenie jej z siecią elektroenergetyczną może być wykonane jedynie przez osobą posiadającą właściwe uprawnienia czyli certyfikat wydany przez Urząd Dozoru Technicznego w zakresie instalowania systemów fotowoltaicznych lub na podstawie zaświadczenia kwalifikacyjnego grupy E (oraz uprawnienia budowlane , jeśli prace budowlane są konieczne do wykonania instalacji). Po wypełnieniu wniosku i zgłoszeniu go u operatora oraz sprawdzeniu przez niego poprawności danych zostanie nam przesłane potwierdzenie możliwości świadczenia usługi dystrybucji lub informacja o brakach w dokumentacji. W ciągu 30 dni od otrzymania zgłoszenia operator przeprowadza weryfikację techniczną instalacji oraz instaluje licznik dwukierunkowy dla prosumentów. Na koniec następuje też podpisanie umowy z zakładem energetycznym.

Bezpieczeństwo instalacji PV

Bezpieczeństwo instalacji fotowoltaicznych to kluczowa kwestia związana z tą inwestycją. Wszelkie rachuby związane ze zwrotem z inwestycji mogą zawieść jeżeli zaniedbane zostaną zabezpieczenia odgromowe, zwarciowe lub przeciwpożarowe.

Do najistotniejszych obowiązkowych zabezpieczeń i dobrych praktyk podczas instalacji należą:

• Montaż bezpieczników topikowych I i II poziomu. W przypadku tych pierwszych ich zadaniem jest odłączenie od sieci paneli, w których wystąpiło zwarcie od pozostałej części instalacji PV. Bezpieczniki poziomu II mają za zadanie odłączenie w przypadku zwarcia inwertora (falownika) od całość instalacji fotowoltaicznej.
• Stosowanie wyłączników nadprądowych DC zabezpieczających przewody oraz pozostałe elementy instalacji w obrębie instalacji elektrycznej prądu stałego.
• Instalacja uziemiająca chroniąca przed porażeniem prądem.
• Instalacja odgromowa zabezpieczająca przed uderzeniami piorunów.
• Ograniczniki przepięć zabezpieczające instalację PV przed mogącymi wystąpić w sieci elektroenergetycznej przepięciami występującymi np. podczas wyładowań atmosferycznych.
• Badania termowizyjne pozwalające wykryć urządzenia lub ich elementy, które generują wysoką temperaturę stwarzającą ryzyko pożaru, co oznacza nieprawidłową pracę lub niewłaściwy montaż poszczególnych elementów.
• Ochrona przewodów i kabli przed uszkodzeniem.
• Wykonanie połączeń za pomocą szybkozłączek tego samego typu i od tego samego producenta. Stosując wtyczki jednego producenta i ograniczając ich mieszane skutecznie minimalizujemy ryzyko wystąpienia pożaru.
• Stosowanie oznaczeń instalacji PV po to, by ewentualna akcja pożarowa przebiegała szybciej i bezpieczniej.
• Regularne przeglądy instalacji zapobiegające możliwości powstawania zagrożeń.

Dzięki zdjęciom termowizyjnym można wykryć nadmierny wzrost temperatury niektórych paneli. Jeśli występuje to objaw ich uszkodzenia fot. Depositphotos

Marek Rzewuski
Fot. Depositphotos/Zeneris

Źródła cytowanych w tekście danych:
¹https://www.polskieradio24.pl/42/259/Artykul/2630515,Raport-tempo-powstawania-i-przylaczania-mikroinstalacji-fotowoltaicznych-dwa-razy-wyzsze-niz-rok-temu
²GUS, „Gospodarka energetyczna i gazownictwo w Polsce 15.09.2020 r. w 2019 r.”