FOTOWOLTAIKA PODRĘCZNIK DLA STUDENTÓW UCZNIÓW INSTALATORÓW INWESTORÓW WYD.VI

Fotowoltaika Podręcznik dla studentów, uczniów, instalatorów, inwestorów ; Ryszard Tytko; wydanie VI

Podręcznik skierowany jest do uczniów, studentów, słuchaczy, instalatorów, Inwestorów, pragnących pogłębić swą wiedzę z zakresu instalacji fotowoltaicznych i elektrycznych.

Niezastąpiony dla osób, którzy chcą zajmować się urządzeniami i systemami energii odnawialnej.

Książka będzie również przydatna inwestorom (prosumentom ) zamierzającym montować instalacje fotowoltaiczną. Informacje zawarte w podręczniku oparte są na bogatym doświadczeniu naukowym, technicznym autorów tej pracy. Treść książki pozwoli odpowiedzieć na wiele pytań dotyczących budowy, montażu , eksploatacji fotowoltaicznych. Szeroki przekrój zagadnień podany przejrzyście i w nowoczesnym układzie, powinien ułatwić korzystanie z podręcznika. W poszczególnych rozdziałach książki usystematyzowano aktualną wiedzę dotyczącą fotowoltaiki i instalacji elektrycznych, popartą własnymi badaniami.

„Fotowoltaika” powinna znaleźć się na półce każdego, kogo zadaniem jest nauczanie w zakresie systemów energetyki odnawialnej. Stanowi również dodatkowe wsparcie dla kursantów na szkoleniach, uczniów i studentów, związanych z szeroko pojętą energetyką i instalacjami.

W opracowaniu tym skoncentrowano się na praktycznym wykorzystaniu energii słonecznej w urządzeniach do produkcji energii elektrycznej, racjonalnej gospodarki energią elektryczną.

Spis treści

Od autora 15
Perspektywy rozwoju fotowoltaiki w Polsce 17
Struktura nakładów inwestycyjnych kosztów eksploatacyjnych
dla elektrowni fotowoltaicznych 29
Wybrane zagadnienia z ustawy Prawo energetyczne
dotyczące fotowoltaiki 31
Wykaz wybranych oznaczeń, wielkości i ich jednostek 43
Symbole graficzne wg PN-EN 60617 stosowane w schematach
elektrycznych 47
MODUŁ I
Bezpieczeństwo i higiena pracy. Ochrona przeciwpożarowa . 59
1. Bezpieczeństwo i higiena pracy (BHP) 59
2. Instrukcje BHP 59
3. BHP a ergonomia 59
4. Stanowisko pracy 60
5. Elementy stanowiska pracy 60
6. Zadania służb BHP 61
7. Pierwsza pomoc 61
8. Bezpieczeństwo wykonywania prac przy urządzeniach elektrycznych 62
9. Sprzęt ochronny 63
10. Sposoby ratowania porażonych prądem elektrycznym 64
11. Ochrona przeciwpożarowa 66
12. Prewencja pożarowa 66
13. Zapobieganie pożarom 67
14. Sposoby ratowania osoby poszkodowanej w pożarze 67
15. Czynności ratujące 68
Spis treści
MODUŁ II
Podstawy elektrotechniki 69
1. Prąd stały 69
1.1. Prąd elektryczny 69
1.2. Napięcie elektryczne 70
1.3. Obwody elektryczne 70
1.4. Prawo Ohma 71
1.5. Obliczanie rezystancji 71
1.6. Łączenie rezystorów 71
1.7. Zależność rezystancji od temperatury 72
1.8. Źródła prądu stałego 72
1.9. Prawa obwodu elektrycznego 73
1.9.1. Pierwsze prawo Kirchhoffa 73
1.9.2. Drugie prawo Kirchhoffa 74
1.10. Stany pracy źródeł energii elektrycznej 74
1.11. Moc prądu stałego 74
1.12. Energia prądu stałego 75
1.13. Prawo Joule’a – Lenza 76
2. Prąd przemienny jednofazowy 76
2.1. Analiza obwodów zawierających elementy R, L, C. 77
2.1.1. Obwód elektryczny z rezystancją 77
2.1.2. Obwód elektryczny z cewką o indukcyjności L
(reaktancją indukcyjną) 78
2.1.3. Obwód elektryczny z kondensatorem o pojemności C
(reaktancją pojemnościową) 79
2.1.4. Obwód elektryczny szeregowy z elementami R, L, C 80
2.1.5. Obwód elektryczny równoległy z elementami R, L, C 81
3. Kondensatory 83
3.1. Pojemność kondensatora 83
3.2. Łączenie kondensatorów 84
4. Moc prądu przemiennego jednofazowego 84
4.1. Moc czynna 84
4.2. Moc bierna 85
4.3. Moc pozorna 86
5. Układy trójfazowe 86
5.1. Układ połączeń odbiorników w gwiazdę 86
5.2. Układ odbiorników połączonych w trójkąt 87
6. Pomiar mocy w układach 3 fazowych 88
7. Pomiar energii w obwodach trójfazowych 89
MODUŁ III
Urządzenia i instalacje elektryczne 91
1. Oznaczenia przewodów i zacisków 91
1.1. Wybrane oznaczenia kabli i przewodów według normy PN: 60446 93
1.2. Przekroje przewodów 94
1.3. Wybrane przykłady oznaczeń przewodów 94
1.4. Podział przewodów ze względu na pełnioną funkcję 95
1.5. Oznaczenia przewodów i zacisków odbiorników 95
2. Łączenie przewodów 96
3. Wybrane zagadnienia ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach
elektrycznych do 1 kV 97
3.1. Oddziaływanie prądu elektrycznego na organizm ludzki 97
3.2. Warunki środowiskowe 98
3.3. Stopnie ochrony obudów urządzeń elektrycznych 99
3.4. Klasy ochronności urządzeń elektrycznych i elektronicznych 100
3.5. Napięcia i układy sieciowe 100
3.6. Układy sieci 101
3.7. Charakterystyka układów sieciowych 102
4. Środki ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym przy eksploatacji
urządzeń elektroenergetycznych 104
4.1. Rodzaje ochron przeciwporażeniowych 104
4.1.1. Równoczesna ochrona przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim 104
4.1.2. Ochrona przed dotykiem bezpośrednim (ochrona podstawowa) 106
4.2. Ochrona przed dotykiem pośrednim (ochrona dodatkowa) 107
4.2.1. Ochrona przez zastosowanie samoczynnego wyłączenia zasilania 107
4.2.2. Wyłączniki nadmiarowo-prądowe 108
4.3. Urządzenia ochronne różnicowoprądowe 111
4.4. Ochrona przed dotykiem pośrednim przez samoczynne
wyłączenie zasilania w układzie sieciowym TN 118
4.5. Ochrona przez zastosowanie urządzenia II klasy ochronności 120
4.6. Ochrona przez zastosowanie izolowania stanowiska 121
4.7. Ochrona przez zastosowanie separacji elektrycznej 121
4.8. Ochrona przez zastosowanie nieuziemionych połączeń wyrównawczych
miejscowych 123
4.9. Połączenia wyrównawcze 124
5. Przewody ochronne, ochronno-neutralne i wyrównawcze 126
6. Uziomy i przewody uziemiające 127
6.1. Uziomy naturalne 128
6.2. Uziomy sztuczne 128
7. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi 131
8. Przyłączanie urządzeń elektrycznych 134
9. Zasilanie budynku 135
10. Instalacje elektryczne w mieszkaniach i budynkach mieszkalnych 135
11. Wybrane zasady wykonania instalacji elektrycznej w budynku 139
12. Eksploatacja instalacji elektrycznych 141
13. Pomiar ciągłości przewodów 142
14. Pomiar rezystancji izolacji instalacji elektrycznej 143
15. Pomiar rezystancji izolacji podłóg i ścian 145
16. Pomiar rezystancji uziomu 145
17. Sprawdzenie skuteczności ochrony przed dotykiem pośrednim
przez samoczynne wyłączenie zasilania 146
18. Sprawdzanie działania urządzeń ochronnych różnicowoprądowych  149
19. Protokół odbiorczy 149
20. Ogólne zasady eksploatacji urządzeń elektroenergetycznych 149
21. Dokumentacja techniczna 150
22. Przyjmowanie urządzeń do eksploatacji 151
23. Prowadzenie eksploatacji urządzeń elektroenergetycznych 152
24. Kontrola eksploatacji 152
MODUŁ IV
Technologia wykonania i logistyka robót instalacyjnych  153
1. Kosztorysy – rodzaje i sposoby obliczeń 153
1.1. Kosztorys inwestorski 154
1.2. Kosztorys ofertowy 154
1.3. Kosztorys zamienny 156
1.4. Kosztorys powykonawczy 156
1.5. Rodzaje kalkulacji kosztorysowej 157
1.5.1. Kalkulacja uproszczona 157
1.5.2. Kalkulacja szczegółowa 158
2. Oferty w postępowaniu o udzielenie zamówienia publicznego 159
2.1. Treść projektu oferty 159
3. Specyfikacja Istotnych Warunków Zamówienia (SIWZ) 160
4. Przekazywanie SIWZ dla wykonawców 161
5. Przykładowa specyfikacja wykonania i odbioru robót i materiałów
instalacyjnych 161
5.1. Przedmiot zamówienia 162
5.2. Przedmiot i zakres robót instalacyjnych 162
5.3. Prace towarzyszące i roboty tymczasowe 162
5.4. Teren budowy 162
5.4.1. Organizacja robót 162
5.4.2. Harmonogram robót 162
5.4.3. Wprowadzenie na budowę 163
5.4.4. Koordynacja robót 163
5.4.5. Zabezpieczenie interesów osób trzecich 164
5.4.6. Ochrona środowiska i zdrowia ludzi 164
5.4.7. Bezpieczeństwo i higiena pracy 165
5.4.8. Zaplecze budowy 165
5.4.9. Organizacja ruchu 166
5.4.10. Ogrodzenie 166
5.4.11. Zabezpieczenie chodników i jezdni 166
6. Wymagania dotyczące wyrobów instalacyjnych 166
7. Wymagania dotyczące sprzętu i maszyn 167
8. Wymagania dotyczące środków transportu167
9. Sposób wykonania robót instalacyjnych 168
10. Kontrola oraz odbiór robót instalacyjnych 168
11. Wymagania dotyczące przedmiaru i obmiaru robót 170
12. Odbiór robót i przekazanie do użytku 172
13. Sposób rozliczenia robót tymczasowych i prac towarzyszących 173
14. Dokumenty, normy i przepisy 173
MODUŁ V
Energia słoneczna 175
1. Atmosfera Ziemi 176
2. Oddziaływanie atmosfery z promieniowaniem 176
3. Wielkość energii słonecznej na Ziemi 177
4. Nasłonecznienie w Polsce 178
5. Zalety promieniowania słonecznego jako źródła energii 178
6. Wady promieniowania słonecznego jako źródła energii 178
7. Sposoby produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem
energii słonecznej 179
7.1. Metoda heliotermiczna 179
7.2. Metoda helioelektryczna 180
8. Wiadomości wstępne z optoelektroniki 182
9. Budowa i zasada działania ogniw krzemowych 184
9.1. Podział ogniw PV 185
10. Ogniwa z krzemu monolitycznego 185
10.1. Budowa fotoogniwa 185
10.2. Technologia wytwarzania fotoogniwa 187
10.3. Moduł half cut cells – ogniwa połówkowe 188
11. Ogniwa polikrystaliczne 191
11.1. Budowa fotoogniwa 191
12. Ogniwa polikrystaliczne cienkowarstwowe 194
12.1. Budowa fotoogniwa 194
12.2. Technologia wytwarzania ogniwa PV 195
13. Ogniwa z krzemu amorficznego 196
13.1. Budowa i technologia wytwarzania fotoogniwa 196
14. Ogniwa cienkowarstwowe jedno- i wielozłączowe z arsenku galu 198
14.1. Budowa i technologia wytwarzania 198
14.2. Przykład rozwiązania konstrukcyjnego 199
15. Ogniwa fotowoltaiczne z materiałów organicznych 199
15.1. Budowa i technologia wytwarzania 199
15.2. Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne ogniw PV,
na podłożu polimerowym 200
15.3. Sposoby produkcji 203
15.4. Sposoby montażu fotoogniw polimerowych elastycznych
na dachu płaskim 203
16. Ogniwa fotowoltaiczne uczulane barwnikiem 205
16.1. Zasada działania 205
16.2. Budowa, parametry ogniwa 206
17. Hybrydowe panele słoneczne 207
17.1. Zasada działania 207
17.2. Budowa urządzenia 208
18. Dwustronne baterie słoneczne 211
18.1. Dachy pokryte dachówką w formie paneli fotowoltaicznych 211
18.2. Angielskie dachówki fotowoltaiczne 213
19. Najnowsze technologie wytwarzania ogniw fotowoltaicznych 214
19.1. Ogniwa perowskitowe 214
19.2. Moduły fotowoltaiczne z warstwą grafenową 216
19.3. Projekt „Quantum Glass” spółki ML System 216
19.4. Technologia skoncentrowanej fotowoltaiki
(Concentrated Photovoltaics, CPV) 218
19.5. Moduły PV z powłoką grafenową 219
19.6. Moduły fotowoltaiczne w technologi PERT 219
19.7. Elewacja z folii fotowoltaicznej 221
19.8. Ogniwa PV klejone klejem ECA technologii Shingled
(układane w formie gontów) 222
20. Utrata mocy fotoogniw funkcji czasu pracy 223
20.1. Dioda bocznikująca fotoogniwo (by-pass) 223
20.2. Optymalizatory firmy Maxim Integrated 225
20.3. Optymalizatory firmy Tigo Energy (Tigo TS4-R-O) 225
20.4. Moduł fotowoltaiczny firmy AE Solar – odporny na zacienienie 226
21. Gorący punkt (hot spot) 227
21.1. Napięcie indukowane w module PID (Potential Induced Degradation)  227
21.2. Prąd upływu 228
21.3. Prąd doziemny 228
21.4. Pętla indukcyjna 228
21.5. Zwarcie doziemne po stronie DC instalacji PV 228
21.6. Badanie modułów fotowoltaicznych 229
21.7. Laboratorium do testowania systemów PV 230
22. Analiza pracy fotoogniwa 232
22.1. Podstawowe zależności 232
22.2. Wpływ temperatury na parametry fotoogniwa 235
22.3. Sposoby połączeń modułów PV 237
22.4. Wpływ promieniowania słonecznego na parametry
modułu fotowoltaicznego 238
22.4.1. Współczynnik wypełnienia FF 239
22.5. Wybrane wyniki badań modułów fotowoltaicznych 239
22.6. Wybrane wyniki badań instalacji fotowoltaicznej
„podążającej za słońcem” 248
23. Parametry osprzętu instalacji PV 251
23.1. Regulatory ładowania 251
23.2. Przetwornice napięcia 253
23.2.1. Falowniki 3-fazowe 255
23.2.2. Inwerter w instalacji fotowoltaicznej 256
23.2.3. Przykładowe rozwiązanie 264
23.2.4. Parametry elektryczne pracy falownika 1-fazowego 264
23.2.5. Wybrane parametry falowników trójfazowych 265
23.2.6. Falowniki średniej mocy 267
23.2.7. Falowniki hybrydowe 268
23.2.8. Panel fotowoltaiczny ze zintegrowanym mikrofalownikiem   269
23.2.9. Falowniki fotowoltaiczne z systemem kompensacji mocy biernej 269
23.2.10. Zagadnienia eksploatacyjne dotyczące załączenia do sieci
falowników 271
23.3. MPP traker 273
23.4. Monitorowanie na poziomie paneli 274
23.4.1. Moduły fotowoltaiczne SolarEdge zintegrowane
z optymalizatorami mocy 276
23.5. Modem komunikacyjny 277
23.5.1. Zasada działania 277
23.5.2. Charakterystyka urządzeń 277
23.6. Sposób łączenia przewodów po stronie DC 278
23.7. Dobór przewodów w instalacji fotowoltaicznej 279
23.7.1. Warunki doboru przekroju przewodów ze względu
na obciążalność prądową długotrwałą 280
23.7.2. Wyznaczanie przekroju przewodów ze względu
na obciążalność długotrwałą po stronie DC 281
23.7.3. Wyznaczanie przekroju przewodów po stronie DC
ze względu na dopuszczalne spadki napięcia 282
23.7.4. Sprawdzenie wielkości strat mocy na przewodach łączących
łańcuch (string) modułów fotowoltaicznych z falownikiem 282
23.7.5. Wyznaczanie przekroju przewodów i kabli ze względu na
obciążalność długotrwałą i przeciążalność po stronie prądu
zmiennego AC instalacji fotowoltaicznej 283
23.7.6. Wyznaczanie przekroju przewodów po stronie AC ze względu
na dopuszczalne spadki napięcia 283
23.7.7. Dobór zabezpieczeń w instalacjach fotowoltaicznych 284
23.8. Mierniki instalacji fotowoltaicznych 285
23.9. Pomiary natężenia promieniowania słonecznego i temperatury modułu
fotowoltaicznego 286
24. Dobór parametrów instalacji fotowoltaicznych 287
24.1. Rodzaje instalacji PV 287
24.2. Mała instalacja fotowoltaiczna 288
24.3. Wybrane układy połączeń fotoogniw 292
24.3.1. Sieć autonomiczna off-grid (wydzielona) 292
24.3.2. Praca elektrowni PV na sieć „sztywną” (on-grid) 297
25. Wytyczne montażowe 299
25.1. Etapy realizacji inwestycji 299
25.2. Projekt techniczny 299
25.3. Etapy budowy 300
25.4. Zagadnienia techniczne montażu instalacji 300
25.5. Sposób montażu ogniw PV w rzędach 302
25.6. Systemy zabezpieczeń w instalacjach fotowoltaicznych 304
25.6.1. Rodzaje zabezpieczeń instalacji fotowoltaicznej 304
25.7. Ochrona odgromowa instalacji fotowoltaicznych 304
25.7.1. Ochrona odgromowa – rodzaje ochrony 306
25.7.2. Ochrona odgromowa – ochrona zewnętrzna 306
25.7.3. Ochrona odgromowa farm fotowoltaicznych – ochrona zewnętrzna 310
25.7.4. System ochronny instalacji PV bez zewnętrznej ochrony
odgromowej (zwodów pionowych) – ochrona wewnętrzna 310
25.7.5. Ogólne zasady doboru ograniczników po stronie DC 312
25.7.6. Ochrona przetężeniowa i zwarciowa 315
25.7.7. Ochrona przeciwporażeniowa w systemach fotowoltaicznych 316
25.8. Odbiór instalacji 317
26. BHP przy montażu instalacji fotowoltaicznej 318
26.1. Zasady BHP przy montażu instalacji fotowoltaicznych 318
26.2. Kompletność dostawy materiałów i urządzeń 320
26.3. Transport i składowanie 320
26.4. Dokumentacja techniczna 320
26.5. Narzędzia i sprzęt dodatkowy 320
26.6. Informacje ogólne 320
26.7. Przepisy bezpieczeństwa 321
26.8. Ochrona przeciwporażeniowa 321
26.8.1. Ochrona przeciwpożarowa 321
26.8.2. Warunki środowiskowe 323
26.8.3. Postępowanie w razie pożaru budynku z instalacją PV 323
26.8.4. Analiza skutków pożarów instalacji fotowoltaicznych 324
26.8.5. Gaszenie pożaru nocą z instalacją PV na dachu 325
26.8.6. Łuk elektryczny 325
26.8.7. Zasady wyposażenia obiektów w gaśnice 326
26.8.8. Gaszenie urządzeń elektrycznych 326
26.8.9. Optymizery 326
26.8.10. Dokumentacja instalacji PV 327
26.8.11. Ubezpieczenie instalacji PV na wypadek pożaru 327
26.9. Bezpieczeństwo wykonywania prac przy urządzeniach elektrycznych 328
26.10. Oznaczenia i symbole 329
27. Montaż instalacji fotowoltaicznej 330
27.1. Systemy montażowe dla modułów skrzynkowych 331
27.1.1. Montaż na dachu spadzistym 331
27.1.2. Montaż ogniw PV na dachu płaskim lub płaszczyźnie poziomej 333
27.1.3. Sposób montażu modułów 335
27.1.4. Zintegrowane z dachem moduły fotowoltaiczne 335
27.1.5. Montaż fotoogniw „podążających za słońcem” 336
27.1.6. Konstrukcja do mocowania na stropie 337
27.1.7. Konstrukcja wsporcza mocowana do betonowych bloków 338
27.1.8. System samonośny 339
27.2. Montaż systemów PV na gruncie 339
27.3. Montaż instalacji fotowoltaicznej na konstrukcji aluminiowej
na dachu płaskim 340
27.4. Montaż instalacji fotowoltaicznej na dachu spadzistym
pokrytym dachówką betonową 342
27.5. Montaż instalacji fotowoltaicznej na konstrukcji
aluminiowej na dachu płaskim pokrytym blachą falistą 346
27.6. Montaż instalacji fotowoltaicznej na dachu spadzistym
pokrytym blachodachówką 346
27.7. Najnowsze rozwiązania techniczne w zakresie mocowania modułów PV . 347
27.8. Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem – Instalacje BIPV
(Building Integrated Photovoltaics BIPV) 348
27.9. Agrofotowoltaika (APV) 354
27.10. Pasieki na farmach PV 355
27.11. Instalacje fotowoltaiczne posadowione na wodzie 356
27.12. Naziemna pionowa farma PV z dwustronnymi modułami 357
28. Eksploatacja instalacji fotowoltaicznych 359
28.1. Wymiana uszkodzonego modułu 359
28.2. Mycie instalacji fotowoltaicznej 359
28.3. Sprawdzenie mocowania paneli 360
28.4. Usuwanie śniegu 360
28.5. Stan przewodów zasilających w instalacji prądu stałego (DC) 361
28.6. Sprawdzenie stanu technicznego falownika 361
28.7. Czynniki wpływające ujemnie na produkcję energii z elektrowni
fotowoltaicznej 361
28.8. Uruchamianie systemu fotowoltaicznego 361
28.9. Projektowanie systemów PV za pomocą symulacji komputerowych 365
29. Magazynowanie energii z OZE 366
29.1. Akumulatory litowo-jonowe 368
29.2. Dobór wielkości mocy akumulatorów do instalacji fotowoltaicznej off-grid. 371
29.3. Dobór wielkości mocy akumulatorów do instalacji fotowoltaicznej on-grid 373
29.4. Duże magazyny energii 374
29.5. Baterie przepływowe (redox flow cell) 375
29.5.1. Budowa akumulatora przepływowego 375
29.5.2. Wanadowe akumulatory przepływowe (all vanadium) 376
29.5.3. Przykładowe rozwiązania techniczne 377
29.5.4. Dalsze badania naukowe nad ogniwami przepływowymi 378
29.6. Wirtualna elektrownia złożona z tysięcy domowych baterii 379
29.7. Enea Operator zbuduje sieć inteligentną na terenie Szczecina,
powiatu gryfińskiego i Świnoujścia 380
29.8. Recykling modułów fotowoltaicznych 380
29.9. Wykorzystywanie energii elektrycznej z fotoogniw, do elektrolizy wody  381
29.10. Ogniwa paliwowe (fuel cells) 381
29.11. Metanizacja wodoru z dwutlenkiem węgla (H2
+ CO2
= SNG +O2) 383
MODUŁ VI
Koncepcja samowystarczalnego budynku niskoenergetycznego zasilanego z OZE, dla domu z Programu
„Mieszkanie Plus” 385
MODUŁ VII
Przykładowy projekt budowlano-wykonawczy 391
1. Procedury formalno-prawne związane z budową mikroinstalacji
fotowoltaicznej 391
2. Warunki przyłączenia mikroinstalacji fotowoltaicznej do sieci
elektroenergetycznej przez osobę fizyczną 392
MODUŁ VIII
Przykładowe zestawy zadań 429
Odpowiedzi do zestawów zadań 463
MODUŁ IX
Przykładowe tematy zadań obliczeniowych i opisowych:
Systemy fotowoltaiczne 465
MODUŁ X
Przykładowe tematy zadań praktycznych:
Systemy fotowoltaiczne 489
Literatura 493