Sunčeva energija je obnovljiv i u ljudskim poimanjima neograničen izvor energije. Izravno ili neizravno od sunčeve energije potječe najveći dio drugih izvora energije koje koristimo.
Svjedoci smo globalnog zagrijavanja. Sunčanih sati u našem području sve je više i više, pa zašto ne iskoristiti mogućnost koju nam sama priroda nudi. Sunčevo zračenje se može iskoristiti za proizvodnju električne energije u sunčanoj elektrani.
U ovoj promociji pomoći ćemo Vam u odabiru elemenata i upoznati Vas s osnovnim komponentama jednostavne kućne sunčane mrežne elektrane.
Mrežna postrojenja su postrojenja koja su spojena na elektroenergetsku mrežu. Takva postrojenja moraju zadovoljiti uvjete koje definira distributer energije na mreži.
Ova postrojenja najčešće za cilj imaju proizvodnju električne energije prvenstveno za vlastite potrebe, a tek višak će biti za prodaju. Domaća zakonska regulativa kopirajući europsku povijest sunčanih elektrana i ne uzimajući u obzir naše realne ekonomske mogućnosti, sve donedavno je preferirala samo sunčane elektrane za predaju/prodaju energije u mrežu. Kako je snaga instaliranih postrojenja rasla tako su poticaji sve brže padali. Na kraju, sustav poticaja se morao zaustaviti zbog neodrživosti plaćanja poticaja za proizvodnju energije. Danas je taj model, barem što se tiče malih elektrana do 10 kW, napušten i prednost se daje sunčanim elektranama koje primarno proizvode za potrebu građevine kojoj pripadaju. Stimulira se pristup proizvodnje električne energije za samopotrošnju-samoopskrbu, a sve dok građevina proizvodi manje od onoga što joj treba. Možebitni viškovi se dozvoljavaju predati u mrežu, ali tada uz ipak nestimulirajuće otkupne cijene. Što veća samopotrošnja na samoj građevini je doprinos u rasterećenju prijenosa energije kroz mrežu u trenucima proizvodnje energije iz Sunca.
Osnovni dijelovi fotonaponskog mrežnog sustava su:
Fotonaponski modul je osnova za pretvorbu solarne energije u električnu. Odlika fotonaponskog modula je da u osvijetljenom stanju proizvodi istosmjerni napon. Ako je na modul spojeno trošilo, poteći će istosmjerna struja. Veći broj modula povezuje se serijski u niz, a onda se takvi nizovi povezuju paralelno. To se radi u cilju ostvarenja optimalnih uvjeta za rad mrežnog izmjenjivača koji pretvara istosmjerni napon u uobičajeni izmjenični napon iznosa 230 V i frekvencije 50 Hz.
Osnovni element fotonaponskog modula je fotonaponska ćelija. Fotonaponsku ćeliju dobijemo kada diodu kao poluvodički ventil izvedemo tako da na nju može dolaziti svjetlost. Kada svjetlo obasja diodu, energija fotona - energija svjetla stvara slobodne nositelje naboja. To se može predstaviti strujnim izvorom paralelno spojenim s diodom. Strujni izvor predstavlja konstantnu struju stvorenu energijom fotona (fotoelektrična struja), koja zavisi od razine osunčanja. Što je osunčanje veće, veća je i fotoelektrična struja. Niz fotonaponskih ćelija spaja se, najčešće serijski, u fotonaponski modul. Svaki fotonaponski modul karakteriziran je određenim parametrima koji su nam važni u primjeni. Strujno naponska karakteristika je uvijek dana za određeno osunčanje. Tako će proizvođači navoditi podatke mjerene pri STC (engl. standard test conditions) i NOCT (engl. normal operating cell temperature):
Bezdimenzionalni parametar AM=1,5 je vezan za sastav spektra zračenja koje pada na modul, a sve kako bi se simuliralo sunčevo zračenje. Iz strujno naponske karakteristike se može dobiti i karakteristika snage jednostavnim množenjem vrijednosti napona i struje. Maksimalna snaga fotonaponskog modula pri STC je ujedno i definicija nazivne snage modula i označava se u Wp (engl. watt-peak). Najinteresantniji parametar fotoćelije, a time i fotonaponskog modula sastavljenog iz fotoćelija je stupanj korisnog djelovanja, koji nam kaže koliko će se zračenja pri STC uvjetima pretvoriti u električnu snagu, odnosno energiju.
Karakteristični mehanički parametri fotonaponskog modula o kojima moramo voditi računa kod projektiranja:
Činjenica je da se fotonaponski moduli nabavljaju kao trajna i dugogodišnja investicija, stoga pri nabavci pogledajte kakve proizvođačke oznake sukladnosti kvalitete prate modul, tvornicu koja ih proizvodi, te koje su sve norme navedene u tehničkim podacima kao zadovoljene.
Certifikati uz fotonaponski modul:
Fotonaponske ćelije nažalost gube efikasnost starenjem. Pri nabavci modula obratite pažnju što proizvođač deklarira kao snagu u godinama eksploatacije. Na slici ispod je primjer 250 Wp modula s garantirano linearnim opadanjem snage, dok se obično garantira snaga samo u stupnjevitom opadanju kroz godine.Garancija linearnog opadanja snage donosi dobitak od 5,8% u odnosu na stupnjevito opadanje snage. Kada već modul stari, onda je dobro da nam proizvođač daje garanciju linearnog opadanja snage s godinama.
Kabel za spajanje FN modula
Za spajanje fotonaponskih modula na ostatak sustava koriste se specijalni kabeli predviđeni za DC napon 1500 V DC i dugogodišnji rad na otvorenom. Mogu se nabaviti u dva presjeka 4 i 6 mm2 i u kolutima po 100 ili 500 m. Proizvode se i u dvije boje kako bi se olakšalo spajanje DC krugova.
Povezivanje fotonaponskih modula u niz
Vezanjem fotonaponskih modula u seriju dobiva se niz modula (engl. string). Spajanjem u seriju fotonaponskih modula povećava se napon niza. Nizovi se spajaju međusobno paralelno i konačno na izmjenjivač. Pri spajanju modula u seriju i kasnije u paralelu, mora se voditi računa da se ne prekorači maksimalni ulazni napon izmjenjivača. Izmjenjivači imaju najčešće 1000 V DC za maksimalni napon na DC ulazu. Moduli imaju maksimalan napon na najnižoj temperaturi okoline. Stoga se primjerice za kontinentalne gradove preporučuje uzeti za proračun -25 °C i pri toj temperaturi proračunati napon niza. Fotonaponski moduli se spajaju međusobno i s ostakom sustava koristeći specijalne konektore tipa MC4. Konektore je obavezno stiskati odgovarajućim kliještima zbog potrebe za kvalitetnim i trajnim spojem.
Montaža modula
Fotonaponski moduli smještaju se najčešće na dva glavna tipa krova: ravni krov i kosi krov. Ovisno o tipu krova razlikuje se i pribor za montažu.
Montaža modula na ravni krov
Moguće rješenje kod montaže FN modula na ravni krov je korištenje kadica za montažu modula na ravnom krovu. Svaki modul se montira na jednu kadicu. Kadice osiguravaju 15 stupnjeva nagiba modula i potrebno ih je odgovarajuće opteretiti kako bi se spriječilo pomicanje uslijed djelovanja vjetra. Pri razmještaju kadica na krovu potrebno je proračunati razmake zbog međusobnog zasjenjenja i voditi računa da se smještaju odmaknuto od rubova ravnog krova gdje vjetar pojačano djeluje.
Punjenje kadica masom za opterećenje mora se proračunati. Jače će biti opterećene kadice prema rubovima FN polja i rubovima zgrade općenito. Ne diranje u hidroizolacija ravnog krova velika je prednost kadica. Troškovnički gledano, jedna kadica i pripadni balast su potrebni za jedan modul. Na rubovima polja u napadnoj zoni vjetra postavlja se usmjerivač struje vjetra (engl.stream liner).
Ako imate ravni krov i zainteresirani ste za ugradnju kućne sunčane elektrane rado ćemo vam pomoći u preliminarnim proračunima i odabiru.
Montaža modula na kosi krov
Za odabir komponenata za montažu modula na kosi krov potrebno je znati vrstu pokrova. Iz pokrova se izlazi odgovarajućom kukom. Kuke se pričvršćuju u konstrukciju krova vijcima. Na kuke se montiraju šine – nosači modula, a na šine se montiraju moduli pomoću pričvrsnica.
U primjeru je pokazano kako možemo brzo izračunati potreban broj nosača i količinu pojedinih elemenata za spajanje.
Broj modula koji je predviđen za postavljanje je 40. Moduli su raspoređeni u 4 reda s 10 modula po redu. Pretpostavka je da se svi međuspojevi mogu izvesti s izvodima modula.
Ukupna duljina nosača = ((širina modula + 0,02) x broj modula u redu + 0,04) x 2 x broj redova= (1,02 x 10 + 0,04) x 2 x 4 = 81,92 m
Broj nosača 4,15 m = zaokruženo na više od (duljina reda / 4,15) x 2 x 4 reda = 20 nosača
Broj spojnica = 2 po redu x 2 x 4 reda = 16 komada
Broj kuka = zaokruženo na više (duljina reda / dozvoljeni razmak ) x 2 x broj redova =
10,25 /1 x 2 x 4 =82 kuke (Razmak će u većini slučajeva pratiti razmak rogova krova cca 1 m)
Broj pričvrsnica među modulima = (broj modula / redu – 1) x 2 x 4 reda = 9 x 8 = 72 komada
Broj završnih pričvrsnica = broj redova x 4 = 4 x 4 = 16 komada
Broj kabela = br stringova x 2 kabela / string x 2 (od i do DC kutije) = 2 x 2 x 2 = 8 kabela
Broj muških konektora = broj kabela = 8 komada
Broj ženskih konketora = broj kabela = 8 komada
DC spojna kutija s odvodnikom prenapona
DC spojna kutija služi za objedinjavanje nekoliko stringova i prosljeđivanje zbirne struje prema izmjenjivaču. Dodatno, ona ima u sebi odvodnik struje munje i prenapona, a po potrebi i DC osigurače i DC sklopku.
U Schrack DC spojnoj kutiji koristi se Schrack Photec kombinirani odvodnik struje munje i prenapona klase I + II (odnosno T1 i T2) (maksimalni kontinuirani napon Uc=1000 V DC uz In(8/20)=20 kA, Imaks(8/20)=40 kA, odnosno Iimp(10/350)=12,5 kA).
Kada nema potrebe za spajanje više od dva stringa u paralelu na jedan MPPT ulaz izmjenjivača, tada nisu potrebni DC osigurači u spojnoj kutiji. Priključne kutije su napravljene tako da se oba stringa priključuju pomoću priključnih vodova 4 mm2 na ulaz, prolaze preko svoje prenaponske zaštite i prosljeđuju na izlaz DC spojne kutije, odnosno prema ulazu izmjenjivača. Najjednostavnija DC spojna kutija tako ima dva +/- ulaza i jedan +/- izlaz. Opremljena je odgovarajućim konektorima MC4 tipa radi jednostavne montaže i demontaže.
DC spojna kutija mora biti spojena sa zajedničkim uzemljenjem objekta i to sa 16 mm2 vodičem. Isto tako i metalna potkonstrukcija modula mora biti uzemljena preko spajanja na sabirnicu za izjednačenje potencijala. Kutija s prenaponskom zaštitom mora biti smještena odmah i što bliže modulima, a najkasnije po ulazu u objekt.
Pri izvedbi stringova potrebno je paziti da se kabeli stringa vode blisko jedan uz drugi i da se ne stvaraju prostorne petlje zbog opasnosti od induciranja napona u njima, slika dolje.
Za udaljenosti od DC spojne kutije do mjesta konkretne lokacije izmjenjivača veće od 20 m preporučuje se postaviti još jedna DC kutija ispred ulaza izmjenjivača.
Izmjenjivač
Izmjenjivač je uređaj koji omogućava da se proizvedena električna energija u fotonaponskim modulima „prebaci“ u mrežu. Istosmjerni napon i struja fotonaponskog modula u izmjenjivaču se pretvaraju u izmjenične veličine prikladne za priključak na distribucijsku mrežu.
Uparivanje izmjenjivača i modula
Pri uparivanju je potrebno izabrati modul i paziti da napon praznog hoda pri projektiranoj najnižoj temperaturi okoline od izabranih npr -25°C i pri maksimalnom osunčanju ne prijeđe dozvoljeni ulazni napon izmjenjivača. Struja na DC ulazu izmjenjivača u svim radnim uvjetima mora biti manja od maksimalno dozvoljene struje ulaza.
U slučaju ako koristimo izmjenjivač za 10 kW snage fotonaponskih modula, proračunom je primjerice određeno potrebnih dva niza po 18 modula. Svaki niz se priključuje na jedan MPPT ulaz. Alat koji se koristi pri uparivanju, također potvrđuje kako u ovom slučaju nisu potrebni osigurači na MPPT ulazima izmjenjivača.
Ako želite sami proračunati uparivanje izmjenjivača i modula , možete se koristiti alatom proizvođača Solar configurator 4.0: https://fronius.solarconfigurator.de/solar.configurator/quick .
Spoj izmjenjivača na mrežu
Budući da su izmjenjivači u izvedbi IP66, moguća je njihova instalacija na vanjski zid objekta. Treba voditi računa da izmjenjivači nisu na direktnom udaru sunca dok rade – dobro je predvidjeti zaštitu od izravnog sunca. U prostoru do izmjenjivača će se u pravilu naći i ormar u kojem će biti oprema AC strane izmjenjivača, odnosno kutija dodatne prenaponske zaštite ako je potrebna.
Prema mreži je potrebno predvidjeti RCD sklopku karakteristike B/ (ako uputstva izmjenjivača ne naznačuju drugačije!), odgovarajuće nazivne struje i diferencijalne struje 100 mA prema uputama za izmjenjivač. Prema mreži je također potrebno predvidjeti i zaštitni prekidač koji će odgovarati zaštiti priključnih vodiča i nazivnoj struji uređaja. Prema uputstvima primjenjuje se C karakteristika kako ne bi došlo do slučajnih i neželjenih izbacivanja.
Prenaponska zaštita štiti izmjenjivač od prenapona koji dolaze od priključnog mjesta za predaju energije. Uz pretpostavku da je u priključnom mjestu izvedena prenaponska zaštita onda se ovdje mogu postaviti odvodnici klase II. Ako to nije slučaj tada se mora predvidjeti odvodnik struje munje i prenapona klase I+II i to za TNS sustav s In=25 kA/polu. U oba slučaja potrebno je predvidjeti odgovarajuće topive predosigurače koji će istovremeno služiti u kombinaciji s prenaponskom zaštitom za prekidanje struja kvara pri neispravnosti odvodnika, a drugi puta za vidljivo rastavljanje elektrane od mreže. Zaštitni prekidač je moguće opremiti podnaponskim isklopnikom koji se može povezati s isklopnim kontaktom dojavnika požara kako bi se preko zaštitnog prekidača izbacila fotonaponska elektrana iz rada. Sva spomenuta oprema AC susretnog sučelja s mrežom stavlja se u odgovarajući AC razdjelnik. Priključak elektrane na niskonaponsku mrežu se izvodi u cijelosti u skladu s trenutno važećim konkretnim dokumentima i pravilima HEPa.
