2024-03-14 16:18:50 
Popularność indywidualnych instalacji fotowoltaicznych sprawia, że wielu właścicieli posesji rozważa ich budowę, przy czym najczęściej interesują się efektywnością wytwarzanej energii w relacji do poniesionych kosztów inwestycyjnych.
Jednak ze względu na wpływ bardzo wielu niesterowalnych czynników na wielkość pozyskiwanej energii, można jedynie w przybliżeniu określić jako wydajność jednostkową takiej instalacji, uwzględniają przede wszystkim przeciętny poziom nasłonecznienia, lokalizację paneli PV, a także ich parametry techniczne podawane w dokumentacji produktu.
Możliwe do uzyskania ilości energii elektrycznej
W idealnych warunkach lokalizacji paneli fotowoltaicznych oraz parametrów ich ustawienia, potencjalna wielkość rocznego pozyskania energii elektrycznej w polskich warunkach klimatycznych określany jest na poziomie 950-1050 kWh uzyskiwanej z 1 kWp zainstalowanej mocy nominalnej.
Efektywność pozyskiwania prądu z fotowoltaiki uzależniona jest w znacznym stopniu od właściwego ustawienia paneli PV względem poziomu ziemi i ukierunkowania, zapewniające najkorzystniejsze naświetlenie ich powierzchni.
Standardowo przy równomiernym wykorzystania w ciągu całego roku ustawiane są z nachyleniem 20-60 stopni, co stwarza dobre warunki w instalacjach współpracujących z siecią elektroenergetyczną, ale sezonowa efektywności ich działania ulega pewnym zmianom, co będzie istotne w przypadku pracy instalacji w systemie off-grid latem przy mniejszym kącie nachylenie uzyskamy wyższy dzienny uzysk energii, a zimą przy niskiej pozycji słońca, większy kąt nachylenia poprawi efektywność wytwarzania prądu.
Natomiast pod względem azymutu, najkorzystniejsze w rozliczeniu całorocznym będzie skierowanie paneli na południe, ale kierunek ten można też nieco modyfikować, zależnie od preferowanej pory dnia do intensywnego pozyskiwania energii elektrycznej z PV.
Np. odchylając nieco panele na wschód na wschód można uzyskać wzrost „produkcji prądu” we wczesnych godzinach porannych. W praktyce najwyższą efektywność całoroczną uzyskuje się jednak przy odchyleniu azymutu w zakresie +/- 10 stopni od kierunku południowego.
Oczywiście ideałem są instalacje śledzące, w których systemy pozycjonowania paneli określają najkorzystniejsze ich ustawienie, ale ze względu m.in. na wysokie koszty są to głównie rozwiązania wykorzystywane na dużych inwestycjach lub przy pracach doświadczalnych.
Jednak w praktyce lokalizacja paneli fotowoltaicznych uzależniona jest od stałych elementów rozmieszczonych na planowanej powierzchni (sąsiednich budynków czy innych obiektów, drzew) a ich umieszczenie na dachu determinuje orientacja kierunkowa połaci dachowej i jej nachyleniem.
Oczywiście obszar taki nie powinien być narażony na okresowe zacienienie, co nie tylko ogranicza efektywność pozyskiwania energii elektrycznej, ale również wymaga odpowiedniego dostosowania aparatury sterującej.
W przypadku mniej korzystnej lokalizacji, potrzebną ilość pozyskiwanej energii elektrycznej można uzyskać poprzez zwiększenie powierzchni zamontowanych paneli, ale z reguły o takim rozwiązaniu decyduje rachunek ekonomiczny określający potencjalny okres zwrotu poniesienia dodatkowych wydatków oraz technicznych możliwości rozbudowy instalacji.
Wytwarzana moc elektryczna zależnie od intensywności oświetlenia
Przyjmowane parametry techniczne instalacji fotowoltaicznych określane są w znormalizowanych warunkach użytkowania i oznaczane symbolem STC (Standard Test Conditions) odpowiadające intensywności nasłonecznienia o wartości 1000 W/m2, w temperaturze 25°C i przy spektrum promieniowania na poziomie AM 1,5.
Jednak w praktyce warunki atmosferyczne są zwykle mniej korzystne dlatego często przyjmuje się parametry określane jako NOCT ((Normal Operating Cell Temperature) odpowiadające nasłonecznieniu o mocy 800 W/m2 w temperaturze 20°C, przy spektrum promieniowania AM 1,5 i prędkości wiatru 1m/s.
Oczywiście propagacja promieniowania słonecznego w ciągu doby jak i sezonowo zmienia się w szerokich granicach (od zera do wartości maksymalnej dla określonej lokalizacji geograficznej), wytwarzając moc elektryczną proporcjonalnie do aktualnego nasłonecznienia.
Na zmianę mocy wpływa przede wszystkim spadek wartości generowanego prądu przebiegający wraz ze zmniejszaniem się nasłonecznienia - np. spadek nasłonecznienia do 500W/m2 spowoduje obniżenie wartości prądu o ok. 50% w stosunku do wartości katalogowej - natomiast w niewielkim stopni obniża się napięcie zasilania -odpowiednio o ok. 1%.
Na moc wytwarzania prądu ma wpływ również temperatura ogniw określana przez temperaturowy współczynnik mocy γ, temperaturowy współczynnik napięcia β temperaturowy współczynnik prądu α, których wartości uzależnione są od rodzaju technologii wykorzystanych przy produkcji ogniw.
Przy zmianach temperaturowych znacznie większej modyfikacji przepływ prądu ulega wytwarzane napięcie, co przy dużych różnicach temperatur zimą i latem sięgającej nawet 90°C, sprawia, że pozyskiwana moc w różnych porach roku (przy takiej samej intensywności nasłonecznienia) może się znacząco zmieniać, a w skrajnych warunkach temperaturowych, wywołuje to spadek mocy o nawet ponad 20% latem (w stosunku do parametrów katalogowych) jeśli uwzględnimy przeciętny temperaturowy współczynniku mocy rzędu 0,4%/oC.
Jednak ze względu na dominującą wielkość pozyskiwanej energii w okresie lata „strata” związana z temperaturowym współczynnikiem mocy powoduje zmniejszenie efektywności wytwarzania prądu o ok. 3-5 % w skali całego roku w porównaniu do możliwości katalogowych.
Na efektywność pracy ogniw wpływ również spadek ich wydajność wraz z upływem czasu. Zależnie o od ich producenta szacunkowo można spodziewać się obniżenia efektywności ich pracy na poziomie 0,3-0,5% rocznie, przy czym w pierwszym roku użytkowania spadek będzie trzy-, czterokrotnie wyższy.
Aparatura umożliwiająca korzystanie z ogniw PV
Wykorzystanie ogniw PV do zasilania większości odbiorników elektrycznych wymaga współpracy z odpowiednio dobranym urządzeniem elektronicznym nazywanym ogólnie falownikiem lub inwertorem, który dostosowuje parametry wytworzonego prądu do wymagań zasilanych urządzeń lub instalacji, a także automatycznie poszukuje optymalnych parametrów działania stosownie do warunków zewnętrznych i użytkowania instalacji oraz zabezpiecza ją przed przekroczeniem wartości dopuszczalnych.
Podstawowym zadaniem większości falowników jest przetworzenie prądu stałego wytwarzanego przez ogniwa w prąd sinusoidalnie przemienny o parametrach napięcia i częstotliwości odpowiadających sieci elektroenergetycznej.
Dzięki temu może być on wykorzystany do zasilania standardowych urządzeń elektrycznych w obszarze wydzielonej instalacji, a w przypadku możliwości z zsychronizowania również do przekazywania energii do sieci elektroenergetyczne.
Zależnie od sposobu wykorzystania energii pochodzącej z ogniw fotowoltaicznych i wielkości instalacji dobierane są różne typy inwertorów różniące się m.in. mocą czy zakresem funkcji. W najprostszym wariancie panele współpracujące z regulatorami ładowania wyposażonymi w MPPT (Max Power Point Tracking) przeznaczonymi do zasilania akumulatorów np. 12V lub 24 V.
Na szersze wykorzystanie pozwalają falowniki pracujące w instalacji w trybie off-grid (bez połączenia z krajową z siecią elektroenergetyczną) zasilające bezpośrednio standardowe odbiorniki elektryczne - zwłaszcza pracujące długotrwale np. klimatyzację czy ogrzewanie, a nadmiar wytwarzanej energii magazynowany jest w akumulatorach, ktore pozwalają na wytwarzanie prądu o standardowych parametrach, gdy panele PV nie działają.
W większych instalacjach domowych montowane są najczęściej falowniki hybrydowe, które zapewniają - zależnie od potrzeb - korzystania z prądu w trybie off-grid, a przy nadwyżce wytwarzanej mocy zasilają również sieć elektroenergetyczną i dzięki licznikowi dwukierunkowemu umożliwiają rozliczenie w zakresie ilości poboru i wytwarzania energii elektrycznej.
Najczęściej są to falowniki szeregowe współpracują z modułami łączonymi w szereg w tzw. stringu, które mogą być podłączone do jednego falownika o kilku wejściach bądź przez oddzielne tracery MPPT.
Autor: Cezary Jankowski
Opracowanie: Aleksander Rembisz
Zdjęcie główne: FBruk-Bet fotowoltaika
