Dla wielu z nas, rok 2005 to wciąż bardzo niedaleka przeszłość. Śmierć papieża-Polaka, debiut Szkła Kontaktowego w telewizji, uruchomienie serwisu YouTube… Mając świeżo w pamięci wspomniane wydarzenia, trudno nazywać te czasy zamierzchłą historią.
Gdyby jednak za punkt odniesienia obrać postęp w dziedzinie fotowoltaiki, można ulec wrażeniu, że nastąpił prawdziwy skok cywilizacyjny. Całkowita moc paneli słonecznych, liczona w skali globalnej, w 2005 roku wynosiła 5 gigawatów. Piętnaście lat później, w samych tylko Niemczech, wskaźnik ten równa się 42,4 GW.
Światowy przyrost mocy oczekiwany w 2020 roku ma przynieść dodatkowe 112 GW, względem wyniku 630 GW, zanotowanego pod koniec 2019 roku. Co ważne, te optymistyczne szacunki uwzględniają kryzys związany z epidemią koronawirusa.
Wraz z gwałtownym rozwojem technologicznym w obszarze odnawialnych źródeł energii, na rynku pojawia się coraz większy wybór podzespołów, niezbędnych do przetwarzania energii słonecznej na prąd elektryczny.
Nawiązując do znanych słów amerykańskiego pioniera motoryzacji – nie jesteśmy już skazani na zakup „samochodu w czarnym kolorze”. Jednakże, nieustannie rosnąca paleta dostępnych opcji zmusza nas, aby świadomy zakup poprzedzić pewną dozą samokształcenia.
Warto poświęcić chwilę czasu na analizę tego, czy rozważany produkt, który ma nam służyć przez minimum okres ćwierćwiecza, faktycznie będzie odpowiadał naszym potrzebom. Powinniśmy rozumieć szereg pojęć, definicji i prawidłowości. W przeciwnym wypadku, zamiast w luksusowym Fordzie, możemy obudzić się w sfatygowanym Trabancie.
Dla większej wygody lektury, artykuł przygotowaliśmy w postaci listy – „Top 5 rzeczy, na które warto zwrócić uwagę przed zakupem paneli fotowoltaicznych oraz falownika”.
1. Posiadane certyfikaty
Poddając się procedurze certyfikacji, producent buduje swoją przewagę konkurencyjną. Jeśli sprzęt, który oferuje, spełni szereg drobiazgowych wymagań w testach jakości, będzie mógł reklamować się m.in. nazwą lub logotypem przyznanego certyfikatu.
Certyfikat może odnosić się zarówno do parametrów narzuconych prawnie, bez których dotrzymania sprzęt byłby nielegalny, jak i do tych charakterystyk, które cechują jedynie aparaturę z najwyższej półki. Spójrz na paczkę chusteczek higienicznych lub ryzę papieru do drukarki, a na pewno znajdziesz tam etykietę FSC lub PEFC – jednego z dwóch najważniejszych certyfikatów dla papieru.
Na pewno słyszałeś też o polskim znaku jakości „Q”, czy europejskim oznaczeniu „CE” (Conformité Européenne). Ten ostatni jest tak pożądany na opakowaniach wszelkiej maści produktów, że niezdolni dotrzymać europejskich standardów Chińczycy, stworzyli swój własny znak „CE” (China Export) z logiem do złudzenia przypominającym unijny odpowiednik.
Także w branży fotowoltaicznej funkcjonują rozmaite typy poświadczeń jakości. Poszczególne certyfikaty różnią się tym, jak bardzo restrykcyjne warunki zostały narzucone testowanym podzespołom oraz tym, kto konkretnie wykonywał testy.
Jednym z najważniejszych ośrodków certyfikujących jest niemiecka firma TÜV Rheinland. W jej niezależnych laboratoriach można otrzymać potwierdzenie, że produkt spełnia wymagania postawione przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną (IEC), opublikowane w normach nr 61215 ed.2 (Terrestrial photovoltaic (PV) modules – Design qualification and type approval) i 61730 (Photovoltaic (PV) module safety qualification).
Najpopularniejsze oznaczenia jakości dla inwerterów to Europejskie normy EN 50524 i EN 50530, standard UL 1741 opisany przez amerykańską firmę Underwriters Laboratories, oraz normy Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej – IEC 61683 oraz IEC 62109.
Warto sprawdzić co konkretnie oznaczają certyfikaty, którymi chwali się producent. Mniej popularne certyfikaty bywają efektem jedynie „wewnętrznej” kontroli w ramach firmy producenta, co może budzić pytania o to czy i jak bardzo surowy był przyjęty system oceny jakości oraz na ile rzetelne były przeprowadzone badania.
2. Gwarancja i spadki wydajności
Większość paneli słonecznych objęta jest 25-letnim okresem gwarancji. To swego rodzaju zapewnienie ze strony producenta, że sprzęt będzie działać na odpowiednim poziomie wydajności, a notowane w kolejnych latach, nieuchronne spadki uzysku mocy, nie wyjdą poza ściśle określony zakres wartości.
Na ogół, akceptowalny rząd wielkości, charakteryzujący stopniową degradację urządzenia, wynosi od -0,5% do -0,7 % rocznie. Wyjątkiem jest pierwszy rok użytkowania, gdy spadek sięga ok. 3%.
Warto tu zwrócić uwagę na markę producenta, która wbrew pozorom nie jest wyłącznie kwestią prestiżu. Gdyby po kilkunastu latach od zakupu, nadarzyła się potrzeba skorzystania z gwarancji, dobrze aby udzielająca jej firma nadal istniała.
Nie bądźmy jednak w tym względzie nadmiernie powierzchowni. O ile Samsung, czy Sony to faktycznie uznane i rozpoznawalne przedsiębiorstwa, to jednak w segmencie paneli fotowoltaicznych prym wiodą firmy chińskie. Wbrew stereotypom, tacy producenci jak LONGi Solar czy JinkoSolar mają renomę liderów w skali światowej.
Pamiętajmy też, że gwarancja wydajności nie jest tożsama z gwarancją produktu. Ta ostatnia na ogół obejmuje krótszy okres, w czasie którego producent zobowiązuje się naprawić wszelkie, ujawniające się już po zakupie, wady produkcyjne i samoistne uszkodzenia.
Gwarancja obliczona na krócej niż 10 lat powinna wzbudzić w nas ostrożność. Jeszcze inną kwestią jest gwarancja na usługę instalacji, która dotyczy już nie tyle sprzętu, co jego montażu w naszym gospodarstwie domowym. Aby uchronić się od potencjalnej „fuszerki”, wybierzmy ofertę z minimum 5-letnim okresem gwarancji.
Falownik jest bardziej narażony na ekstremalne warunki pracy, a co za tym idzie – awarie. Producenci najczęściej obejmują ten sprzęt pięcioletnim okresem gwarancyjnym, który jednak nie uwzględnia wad powstałych w wyniku błędnie zaprojektowanego lub zamontowanego systemu.
W przeciwieństwie do paneli, falownik zachowuje stałą moc w miarę upływu czasu. Dobrze więc założyć wyjściową moc paneli, która będzie większa od mocy inwertera o ok. 20 %, co w dłuższej perspektywie będzie dążyć do wyrównania między oboma podzespołami.
3. Wydajność pracy (sprawność)
Pierwsze, prototypowe panele słoneczne, produkowane w latach ’50 ubiegłego wieku, charakteryzowały się wydajnością pracy na poziomie nie przekraczającym 6 %. Dziś jest to już ok. 22 %, podczas gdy maksymalny, teoretycznie możliwy do osiągnięcia limit opisany prawem Shockley–Queisser’a wynosi ok. 33 %.
Ewentualne wykorzystanie perowskitów, dyskutowanych na blogu w jednym z niedawnych artykułów, daje nadzieję na dalszy postęp w tym zakresie.
W konwencjonalnych ogniwach, każdy pojedynczy foton uderzający w ogniwo słoneczne, pobudza wyłącznie jeden znajdujący się tam elektron. Uporządkowany ruch elektronów to nic innego jak prąd elektryczny.
Uwalniany przy takim zderzeniu nadmiar energii jest rozpraszany w formie ciepła. Tzw. zjawisko „multiplikacji nośnika”, potencjalnie możliwe do osiągnięcia dzięki zastosowaniu perowskitów, zakłada jednak, że taka nadwyżka energetyczna, zamiast stanowić stratę, mogłaby posłużyć do wzbudzenia większej ilości elektronów.
Taka sama co dotychczas ilość energii słonecznej, pozwoliłaby generować więcej prądu. Miałoby się to wiązać z empirycznym przesunięciem granic wydajności paneli do wartości ok. 44 %.
Wróćmy jednak do roku 2020. Promieniowanie słoneczne mierzymy w kilowatach na metr kwadratowy. Jego rejestrowana wartość zależy od odległości od Słońca oraz od istnienia barier, które po drodze mogą odbijać lub absorbować światło.
Przy powierzchni ziemi, w pogodny dzień, trafia do nas 1 kW/m2 energii słonecznej. Instalacja fotowoltaiczna o powierzchni sumarycznej 10 m2 (wymiary 2 x 5 m) ma w ciągu dnia do dyspozycji energię rzędu: 1 kW/m2 x 10 m2 =10 kW.
Przy wydajności instalacji na poziomie 20 %, baterie naładujemy ilością energii równą 20 % x 10 kW, czyli 2 kW. Załóżmy jeszcze, że w ciągu całej doby, jedynie okres 5 godzin dostarcza nam intensywnego nasłonecznienia. To daje 10 kWh wyprodukowanej energii dziennie.
Dzienny zastrzyk energii z paneli o łącznej powierzchni 10 m2 pracujących z wydajnością 20 % wynosi 10 kWh, czyli 10 000 Wh i pozwoli nam on:
– Korzystać z czajnika o mocy 2200 W (2,2 kW) nieprzerwanie przez 4,5 godziny
– Jeździć na hulajnodze elektrycznej o mocy 0,25 kW przez 40 godzin.
– Naładować jedną piątą pojemności akumulatora, który zasila standardową wersję samochodu Tesla model 3
Przed wyborem paneli słonecznych, obliczmy ilość miejsca dostępnego na dachu. Jeśli nie ma go zbyt wiele, warto zainwestować w wysokowydajne panele słoneczne, których będziemy wówczas potrzebować mniej.
Wydajność paneli fotowoltaicznych
Wydajność pracy paneli wynika z rodzaju zastosowanych ogniw, które mogą być: monokrystaliczne, polikrystaliczne, amorficzne lub hybrydowe. Rozsądnie byłoby też zachować trochę miejsca „na zapas”, w razie, gdybyśmy w przyszłości chcieli rozbudować istniejącą instalację.
Oprócz tego, weźmy też pod uwagę codzienną ilość słonecznych godzin w naszym miejscu zamieszkania oraz orientację i kąt, pod którym panele zostaną zamontowane. Wszystko to ma wpływ na czas, w którym nasz sprzęt będzie mógł pracować „pełną parą”.
Wydajność inwertera mówi nam o tym, jak dużo prądu stałego, wychodzącego z paneli słonecznych, jest zamieniane na prąd zmienny, jaki znamy z typowego „gniazdka” w ścianie.
Wydajność wysokiej klasy inwertera sięga 98 %. Powinna ona utrzymywać się na tym wysokim poziomie w zakresie obciążenia od 20 do 100 %. Jeśli wybierzemy panele słoneczne o niższej mocy, które będą powodować obciążenie inwertera znacznie poniżej jego możliwości przerobowych (wyrażanych wartością nominalnego natężenia, jakie może obsłużyć urządzenie), np. poniżej 20 %, wówczas ryzykujemy spadek wydajności pracy inwertera.
Praca instalacji w sub-optymalnych warunkach to zawsze strata dla prosumenta. Ta zmienność (zależność od czynników zewnętrznych), z jaką pracuje inwerter sprawia, że często zamiast jednej, ściśle określonej liczby, która opisywałaby wydajność urządzenia, podaje się odpowiednią charakterystykę w postaci wykresu. Jest to zwykle krzywa opisująca zależność wydajności od gromadzonej mocy, jaką panele przekazują do inwertera z wyznaczonym, optymalnym zakresem pomiędzy dwoma skrajnymi wartościami granicznymi.
4. Warunki testowania
Parametry, którymi producent opisuje swoje panele, zostały otrzymane jako wynik testów pomiarowych. Aby poszczególne testy były ze sobą porównywalne, a wyniki – odtwarzalne, badania prowadzi się w ściśle określonych warunkach otoczenia. Spotkamy się tu najczęściej z określeniami STC (Standard Test Conditions) i NOTC (Normal Operating Cell Temperature).
STC, czyli standardowe warunki testowania, zakładają następujące wskaźniki:
– natężenie promieniowania słonecznego 1000 W/m2
– temperatura ogniw oświetlanego panelu +25°C
– spektrum promieniowania dla gęstości atmosfery AM = 1,5
Ten ostatni, najmniej intuicyjny parametr, to stosunek drogi optycznej, jaką musi przebyć promień słoneczny przechodzący przez atmosferę, do najkrótszej możliwej drogi, jaką przebywa, gdy Słońce znajduje się w zenicie (najbardziej pionowej drogi).
Wartość 1,5 jest zaś tą, która najbardziej odpowiada średnim warunkom notowanym w kontynentalnych Stanach Zjednoczonych. Oznacza, że promienie słoneczne padają pod kątem 48,2° w stosunku do położenia słońca w zenicie.
Wpływ na AM, oprócz lokalizacji, mają również m.in. aktualne warunki atmosferyczne, grubość warstwy chmur i grubość warstwy ozonu, czy odległość Ziemi od Słońca.
Jak widać, warunki STC bardzo idealistycznymi, a każdy z trzech wskaźników, które w testach laboratoryjnych utrzymuje się na stałym poziomie, w prawdziwym świecie ulega ciągłym wahaniom.
Wartość 1000 W/m2 oznacza maksymalne nasłonecznienie, przy którym nie sposób otrzymać temperatury 25°C. W warunkach STC otrzymamy zawyżone wyniki badań niż te, których moglibyśmy spodziewać się we własnym gospodarstwie domowym. Stąd też opisano warunki NOTC, czyli nominalne warunki pracy ogniwa, które nieco wierniej oddają panującą wokół nas rzeczywistość.
– natężenie promieniowania słonecznego 800 W/m2
– temperatura otoczenia +20°C
– prędkość wiatru 1 m/s
– spektrum promieniowania dla gęstości atmosfery AM = 1,5
Przy takich parametrach, rejestrowana efektywność działania paneli jest mniejsza, ale za to bliższa temu, czego faktycznie moglibyśmy doświadczyć jako prosumenci. Pomimo tego, to STC jest bardziej powszechnym i częściej spotykanym sposobem normalizacji warunków pracy paneli fotowoltaicznych.
5. Parametry elektryczne
Pierwszą rzeczą, jaka rzuca się w oczy podczas przeglądania karty katalogowej modułu fotowoltaicznego, jest jego moc maksymalna. Przykładowo, może ona wynosić 320 W (warunki STC). Często, w opisie jednostki stosuje się oznaczenie „Wp”, czyli Watt peak, aby podkreślić, że podawana moc jest szczytową (Pmax) i odnosi się do warunków laboratoryjnych. Wartość mocy szczytowej jest iloczynem maksymalnego natężenia prądu (Vmax) i jego maksymalnego napięcia (Imax). Pojęcia napięcia i natężenia prądu omawialiśmy w jednym z poprzednich artykułów.
Link: https://gaia.solar/blog/roznice-miedzy-ukladem-jednofazowym-a-trojfazowym/
Jeżeli powierzchnia paneli słonecznych będzie maksymalnie oświetlona, ale one same nie zostaną połączone z odbiornikiem energii tak, aby móc oddawać prąd dalej (do falownika), wówczas mamy do czynienia z nieskończonym oporem układu i mówimy o tzw. napięciu obwodu otwartego (Voc, od angielskiego terminu open-circuit). Jest to najwyższa, możliwa do uzyskania wartość napięcia fotoogniwa, występująca przy natężeniu równym 0 Amperów.
Z kolei, gdy zamkniemy obwód elektryczny, opór spadnie do zera, a w przewodach popłynie tzw. prąd zwarcia (Isc, od angielskiego terminu short-current), generowany światłem. Przy zerowym napięciu, prąd zwarcia płynie z maksymalną, możliwą teoretycznie do uzyskania wartością natężenia prądu, który powstaje w fotoogniwach.
W miarę zwiększania napięcia, natężenie pozostaje na stałym, wysokim poziomie, zależnym od parametrów materiałowych półprzewodnika oraz od konstrukcji ogniwa słonecznego. Zaczyna dążyć do zera dopiero w okolicach maksymalnego napięcia.
Dla idealnego ogniwa, wartości maksymalnego napięcia (Imax) i natężenia (Vmax) są tożsame z wartościami napięcia obwodu otwartego (Voc) i prądu zwarcia (Isc). W praktyce, te ostatnie są nieco utopijne i trudne do osiągnięcia.
Zarówno Voc jak i Isc są ważnymi wielkościami określającymi jakość ogniwa słonecznego. W warunkach NOCT, wszystkie są nieco niższe niż mierzone w warunkach STC. Im wyższe wartości napięcia i natężenia, tym lepiej, bowiem ich iloczyn stanowi o maksymalnej mocy naszych paneli. Z kolei wyższa moc mikroinstalacji przekłada się na większą ilość wytworzonych kilowatogodzin energii w jednostce czasu.
W charakterystykach paneli fotowoltaicznych znajdziemy też często współczynniki temperaturowe, które bazują na wymienionych wyżej parametrach.
Współczynniki temperaturowe Isc, Voc i Pmax informują nas o tym, jak zmieni się natężenie lub napięcie prądu produkowanego w mikroinstalacji, bądź też jak zmieni się ich iloczyn – czyli moc naszego sprzętu, gdy temperatura nagrzanego panelu odbiegnie od tej opisanej dla warunków STC. Współczynniki mogą mieć wymiar bezwzględny, bądź procentowy.
Załóżmy, że panel opisany jest wartością maksymalnego natężenia Isc = 10,02 A (prąd obwodu zamkniętego) oraz współczynnikiem temperaturowym Isc na poziomie +0,067 %/°C. Wówczas, przy zmianie temperatury o 1°C względem punktu odniesienia, jakim jest temperatura 25°C, natężenie prądu wzrośnie o 0,067 % wartości początkowej.