PODRĘCZNIK INSTALATORA SYSTEMÓW FOTOWOLTAICZNYCH

Spis treści
Przedmowa 7

1. Wprowadzenie 9

2. Zagadnienia ogólne oraz aktualne dokumenty odniesienia dotyczące systemów PV 11
2.1. Najważniejsze przepisy krajowe dotyczące fotowoltaiki 11
2.2. Podstawy prawne i zasady certyfikacji instalatorów 14
2.3. Przepisy ppoż. i BHP dla instalacji PV 16
2.3.1. Przepisy ppoż. 16
2.3.2. Przepisy BHP 20
2.4. Przykładowe pytania teoretyczne do rozdziału 2 22

3. Podstawy funkcjonowania systemów PV 23
3.1. Ogólne informacje o ogniwach i modułach PV 23
3.1.1. Budowa i zasada funkcjonowania ogniw i modułów PV 23
3.1.2. Budowa generatorów PV 27
3.1.3. Wpływ temperatury na funkcjonowanie modułów PV 29
3.2. Rodzaje modułów PV 31
3.2.1. Moduły z ogniwami z krzemu monokrystalicznego 31
3.2.2. Moduły z ogniwami z krzemu polikrystalicznego 32
3.2.3. Moduły z ogniwami z krzemu amorficznego (cienkowarstwowe) 33
3.2.4. Moduły na bazie tellurku kadmu (CdTe) 33
3.2.5. Moduły cienkowarstwowe typu CIGS CIS 33
3.2.6. Moduły typu PERC 33
3.2.7. Moduły typu szyba-szyba 33
3.2.8. Moduły z ogniw ciętych na połówki 34
3.2.9. Moduły dwustronne 34
3.2.10. Inne niszowe rozwiązania konstrukcyjne modułów 34
3.2.11. Systematyka modułów PV – podział na generacje 36
3.3. Rodzaje systemów PV 37
3.3.1. Autonomiczne systemy PV (OFF-GRID) 37
3.3.2 Systemy PV dołączone do sieci energetycznej (ON-GRID) 38
3.3.3. Hybrydowe systemy PV 39
3.3.4. Systemy PV typu BAPV oraz BIPV 40
3.4. Urządzenia i elementy systemów PV 41
3.4.1. Akumulatory – magazyny energii 41
3.4.2. Regulatory ładowania 43
3.4.3. Falowniki (inwertery) 46
3.4.4. Elementy instalacji PV 52
3.4.5. Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa 56
3.4.6. Rodzaje konstrukcji wsporczych 58
3.5. Przykładowe pytania teoretyczne do rozdziału 3 61

4. Projektowanie systemów PV 63
4.1. Wstępne szacowanie efektywności systemu na podstawie lokalizacji i danych pogodowych 63
4.1.1. Narzędzia „PVGIS” 63
4.1.2. Oprogramowanie „PV*SOL online” 64
4.1.3. Oprogramowanie „Sunny Design” – firmy SMA 64
4.1.4. Oprogramowanie „Solar.Configurator 4.0” – firmy FRONIUS 65
4.2. Projektowanie systemów PV typu ON-GRID 66
4.2.1. Wstępne wymiarowanie 66
4.2.2. Zasady doboru układu generator-falownik 68
4.2.3. Dołączanie systemu PV do sieci energetycznej 69
4.3. Projektowanie autonomicznych systemów PV typu OFF-GRID 73
4.3.1. Uproszczona metoda doboru mocy generatora PV 73
4.3.2. Dobór generatora PV na podstawie danych o nasłonecznieniu 74
4.4. Problemy zacienienia i zanieczyszczenia modułów PV 75
4.5. Zagadnienia wytrzymałościowe konstrukcji wsporczych 76
4.6. Klasy ochronności i stopnia IP urządzeń elektrycznych 80
4.7. Bilansowanie energii – rozliczenia prosumenta 83
4.8. Przykładowe pytania teoretyczne do rozdziału 4 86
4.9. Przykładowe zadania praktyczne do rozdziału 4 87

5. Zasady montażu i konfiguracji systemu PV 89
5.1. Sporządzanie schematu instalacji 89
5.2. Narzędzia i wyposażenie instalatora 93
5.3. Zasady doboru i wymiarowania przewodów 95
5.4. Zasady odbioru systemu PV – procedury i dokumentacja 98
5.5. Analiza typowych błędów montażowych 102
5.6. Oznaczenia przewodów i dodatkowe wyposażenie 105
5.7. Przykładowe pytania teoretyczne do rozdziału 5 107
5.8. Przykładowe zadania praktyczne do rozdziału 5 108

6. Wydajność systemów PV 111
6.1. Wyznaczanie charakterystyk prądowo-napięciowych modułów PV 111
6.2. Ocena poprawności funkcjonowania systemu – inspekcje i konserwacje 113
6.3. Analiza danych z monitoringu 115
6.4. Przykładowe pytania teoretyczne do rozdziału 6 118
6.5. Przykładowe zadania praktyczne do rozdziału 6 119

7. Modernizacja i utrzymanie systemów PV 121
7.1. Harmonogram i rodzaje przeglądów 121
7.2. Analiza danych z monitoringu instalacji 122
7.3. Typowe awarie i sposoby modernizacji instalacji 122
7.4. Celowość i warunki badań termowizyjnych 123
7.5. Przykładowe pytania teoretyczne do rozdziału 7 127
7.6. Przykładowe zadania praktyczne do rozdziału 7 128

8. Perspektywy rozwoju fotowoltaiki w Polsce 129

Bibliografia 131

Poprawne odpowiedzi na pytania teoretyczne 134

Przedmowa
Fotowoltaika (określana dalej powszechnie przyjętym skrótem – PV) jest stosunkowo nową dziedziną nauki i techniki. W Polsce jest to technologia w dalszym ciągu na wstępnym etapie rozwoju. Dlatego jest duże zapotrzebowanie na specjalistów z zakresu projektowania i instalacji systemów PV. Dynamiczne zmiany na rynku komponentów systemów PV wymagają ustawicznego dokształcania kadr technicznych w tym zakresie. Przesłanki te skłoniły autora do opracowania podręcznika dla instalatorów z branży fotowoltaicznej, który stanowi zbiór niezbędnych informacji i równocześnie materiał pomocniczy do przygotowania się do egzaminu, przeprowadzanego z tego zakresu przez Urząd Dozoru Technicznego (UDT). Jest to istotne, gdyż systemy PV są projektowane na długi okres funkcjonowania, szacowany obecnie nawet do 30 ­lat.

Znaczną część opracowania stanowi przegląd różnego rodzaju oprogramowania, wspomagającego proces projektowania systemu PV na każdym jego etapie. Przykłady zastosowania oprogramowania w projektowaniu przygotowano w wersjach dostępnych dla czytelnika, bez konieczności korzystania z wersji komercyjnych. Układ treści podręcznika zawiera zagadnienia wyszczególnione w Rozporządzeniu Ministra Aktywów Państwowych z dnia 25 lutego 2020 r. Zamieszczono również przykładowe pytania teoretyczne i zadania ­praktyczne.

W podręczniku nie opisywano szczegółowo procesu konfiguracji falowników PV ze względu na dużą i zróżnicowaną ofertę rynkową. Te informacje należy czerpać z instrukcji producenta lub zdobywać niezbędne doświadczenie na szkoleniach produktowych. Pomimo szerokiej oferty oprogramowania wspomagającego proces projektowania, zaleca się jednak wykonanie alternatywnych obliczeń sprawdzających, dla krytycznych przypadków funkcjonowania systemu ­PV.

Autor ma świadomość, że przygotowany materiał będzie wymagał ustawicznego doskonalenia i aktualizacji. Jest to spowodowane dynamicznym rozwojem fotowoltaiki i zmieniającymi się uwarunkowaniami ekonomiczno-prawnymi. Jednak ze względu na to, że 2 lutego 2021 r. Rada Ministrów RP zatwierdziła nową „Politykę energetyczną Polski do 2040 r.” (PEP2040), według której perspektywy dla fotowoltaiki sięgają nawet do 16 GWp mocy zainstalowanej, co przy obecnych niespełna 7,1 GW (na koniec listopada 2021 r.) wskazuje na dalszy dynamiczny rozwój tej technologii pozyskiwania ­energii.

Autor podręcznika będzie wdzięczny za wszelkie uwagi i sugestie czytelników, które w przyszłości umożliwią wprowadzanie zmian w kolejnych ­wydaniach.
Autor

1. Wprowadzenie
Fotowoltaika jest obecnie jednym z najszybciej rozwijających się w Europie i na świecie odnawialnym źródłem energii, tzw. OZE. Słowo fotowoltaika pochodzi od dwóch wyrazów: „foto” – oznaczającego światło oraz „wolt” – od jednostki napięcia (od nazwiska Alessandra Volty). Wykorzystuje ona zjawisko fotowoltaiczne, polegające na bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na najbardziej użyteczną postać energii, jaką jest energia elektryczna. Często błędnie jest używana forma „fotowoltanika”. Jest to zasób energii z punktu widzenia istnienia życia na naszej planecie praktycznie niewyczerpywalny. Problemem jest tylko to, że zasób ten jest nierównomiernie dostępny i jego znaczenie maleje wraz ze wzrostem szerokości geograficznej. Energia słoneczna nie jest też źródłem przystosowanym do zasilania odbiorów w sposób ciągły w czasie trwania doby [1–3].

Zjawisko konwersji fotowoltaicznej zostało odkryte przez francuskiego fizyka Alexandra Edmonda Becquerela już w roku 1839. W roku 1904 Albert Einstein opracował wyjaśnienie teoretyczne tego zjawiska, m.in. za to otrzymał w 1921 roku nagrodę Nobla. W historii rozwoju fotowoltaiki zapisał się również nasz rodak, prof. Jan Czochralski, który w 1918 roku odkrył metodę produkcji krzemu monokrystalicznego. Osiągnięcie to umożliwiło wytwarzanie monokrystalicznych ogniw słonecznych. W roku 1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller oraz Gerald Pearson zbudowali pierwsze krzemowe ogniwo PV w laboratorium Bell Labs, które było w stanie pracować z wydajnością zaledwie ok. 4%, ale uznawane jest za pioniera współczesnych krzemowych ogniw PV. Już od roku 1958 ogniwa PV były wykorzystywane do zasilania satelitów w badaniu ­kosmosu.

Zastosowania naziemne fotowoltaiki zaczęły się pojawiać dopiero w połowie lat 70. XX wieku. Od tego czasu zaobserwowano prawo empiryczne, wynikające z obserwacji dotyczącej trendu cenowego dla ogniw PV, zgodnie z którym każde podwojenie zdolności produkcyjnych przemysłu powoduje spadek cen ogniw o ok. 20%. Nazwa tego prawa pochodzi od nazwiska Richarda Swansona, założyciela firmy produkującej ogniwa słoneczne SunPower Corporation. Zaskakujące jest to, że prawo to obowiązuje nadal, pomimo różnych zjawisk rynkowych w tak długim ­okresie.

Znaczący rozwój fotowoltaiki w Polsce rozpoczął się dopiero od roku 2015, po wejściu w życie ustawy o OZE (z dnia 20 lutego 2015 r. z późniejszymi zmianami). Niestety, polski model energetyki prosumenckiej nie przewidywał taryf gwarantowanych (feed in tariff), a jedynie rozliczenia na zasadzie tzw. opustów, czyli rozliczeń energii netto (net metering). A prosument to konsument i jednocześnie producent energii, ale jedynie na zaspokojenie własnych ­potrzeb. Niepokojące są zmiany sposobu rozliczeń prosumentów od 1 kwietnia 2022 r., polegające na zamianie systemu net metering (bilansowania ilościowego energii netto) na system net billing (bilansowanie wartościowego energii).