16.1. Budowa i zasada działania ogniw fotowoltaicznych
W związku z rosnącą troską o ekologię i postępującym zużyciem paliw kopalnych, ludzkość poszukuje nowych źródeł energii. Do dyspozycji pozostają niewyczerpane źródła w formie energii wiatru, energii słonecznej. Ludzkość od dawna wykorzystywała tę ostatnią, w szczególności wypromieniowywaną przez słońce energię cieplną. Po odkryciu efektu fotowoltaicznego (właściwie: zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne) możliwe było bezpośrednie przekształcenie ener-gii słonecznej w elektryczną.
Rozważmy złącze p-n, które zbudowane jest z dwóch półprzewodników. Stanowią one strukturę krystaliczną (np. krzemu lub germanu), do której domieszkuje się w nieznacznej ilości atomy pięciowartościowe (półprzewodnik typu n) lub trójwartościowe (półprzewodnik typu p). Wobec czterowartościo-wości krzemu i germanu (czyli czterech elektronach na powłoce walencyjnej), w półprzewodnikach pojawia się „nadmiar” elektronów (typ n) lub ich niedo-miar (typ p). W samym złączu oba nośniki prądu rekombinują, tworząc barierę potencjału. Jeżeli na złącze pada promieniowanie słoneczne, fotony dostarczają energii do elektronów, przenosząc je z pasma walencyjnego do pasma przewod-nictwa. Po stronie półprzewodnika typu n, na złączu tworzy się dodatni ładunek, więc elektrony są wpychane w głąb materiału. Analogicznie ujemny ładunek na złączu po stronie półprzewodnika typu p powoduje wpychanie dziur w strukturę materiału. Wytworzona w ten sposób różnica potencjałów może być wykorzy-stana – ogniwo fotowoltaiczne staje się tym samym źródłem napięcia.
W Polsce moc promieniowania słonecznego w bezchmurny letni dzień wynosi około 1 kW/m2. Przy lekkim zachmurzeniu moc ta spada do około 60% tej wartości, przy zachmurzeniu pełnym do 30%, natomiast w zimie do dyspozycji jest zwykle ok. 10%. W ciągu roku, usłonecznienie, czyli liczba godzin
słonecz-Badanie instalacji fotowoltaicznej
16.
Rys. 16.1. Schemat działania panelu fotowoltaicznego
Źródło: opracowanie własne
Moc paneli fotowoltaicznych podaje się w odniesieniu do tzw. warunków STC (ang. standard test conditions). Oznacza to, że producenci badają panele w tempe-raturze 25°C, przy mocy strumienia świetlnego 1 kW/m2, prędkości wiatru 1 m/s oraz określonej gęstości atmosfery. W warunkach tych, osiągnięcie mocy nomi-nalnej 1 kWp (litera p oznacza moc szczytową, ang. peak) w teorii jest możliwe przy wykorzystaniu panelu o powierzchni zaledwie jednego metra kwadrato-wego o 100% sprawności. Obecne rozwiązania posiadają sprawność na poziomie maksymalnie 20%, a zatem rzeczywista moc szczytowa zwykle nie przekracza 0,2 kW/m2 zainstalowanego panelu. Najbardziej rozpowszechnione w Polsce tej chwili panele fotowoltaiczne mają wymiary ok. 1 x 1,5 m i wagę ok. 16÷20 kg.
16.2. Panele fotowoltaiczne
Panel fotowoltaiczny składa się ogniw. Pojedyncze ogniwo wytwarza zwy-kle napięcie ok. 0,5 – 0,6 V, osiągając maksymalną moc rzędu 1,5 – 2,6 W przy wymiarach 125 x 125 mm. Aby zwiększyć generowane napięcie i maksymalny prąd, a więc moc wytwarzaną przez urządzenie, panel składa się z połączonych szeregowo i równolegle ogniw. Zależnie od konfiguracji połączeń, otrzymuje się określoną charakterystykę całego panelu (rys. 16.2 b).
Charakterystyka prądowo-napięciowa idealnego ogniwa miałaby kształt prostokąta o długościach boków ISC oraz UOC. Wielkości te oznaczają odpo-wiednio: natężenie przy zwarciu ogniwa (SC – ang. short circuit) oraz napięcie
16.3. Instalacja fotowoltaiczna ślone napięcie, a warunki obwodu wpłyną na wartość natężenia. Punkt pracy będzie zatem zawarty zawsze wewnątrz charakterystyki rzeczywistej oznaczonej czarną krzywą.
Szara krzywa ilustruje wytwarzaną moc P, będącą iloczynem rzeczywistego napięcia i natężenia. Maksymalną sprawność, a więc maksymalną wytwarzaną moc, ogniwo osiągnie dla punktu leżącego na charakterystyce rzeczywistej (oznaczonego MMP – ang. maximum power point; maksymalny punkt pracy). W praktyce maksymalna moc osiągana dla napięcia Um i natężenia Im to taka moc, dla której pole prostokąta A o długościach boków Um i Im będzie największe. Dla ogniwa fotowoltaicznego można określić sprawność, korzystając z zależności: η = ⋅ ⋅ I U J S m m (63) gdzie: J – natężenie promieniowania padającego na ogniwo [W/m2]; S – powierzchnia ogniwa [m2].
Często podaje się także tzw. współczynnik wypełnienia obliczany według zależności: FF I U I U P I U m m SC OC MMP SC OC = ⋅ ⋅ = ⋅ (64)
Współczynnik ten świadczy o klasie ogniwa. Najlepsze ogniwa cechuje FF > 0,75.
Co ważne, panel fotowoltaiczny będzie pracował (a więc produkował ener-gię) w każdej sytuacji, kiedy na jego powierzchnię będzie padało światło. Oznacza to, że nie tylko widmo elektromagnetyczne słońca będzie zasilać panel, ale także sztuczne oświetlenie miejsca akcji, czy światło emitowane przez płomień w trak-cie pożaru.
16.3. Instalacja fotowoltaiczna
W najbardziej ogólnym podziale instalacje fotowoltaiczne można podzielić na dwa rodzaje: off-grid oraz on-grid. Pierwszy z nich jest instalacją
autono-Badanie instalacji fotowoltaicznej
16.
Niewykorzystana energia, np. przez prywatnego producenta posiadającego panele fotowoltaiczne na dachu swojego domu, sprzedawana jest dostawcy ener-gii elektrycznej. Schemat tego typu instalacji przedstawiono na rys. 16.3.
Rys. 16.3. Schemat instalacji fotowoltaicznej typu on-grid
Źródło: opracowanie własne
Jak wynika z wcześniej opisanych zjawisk, na zaciskach panelu
fotowolta-Rys. 16.2. a) charakterystyka pojedynczego modułu fotowoltaicznego oraz b) wynikowa
cha-rakterystyka ogniw fotowoltaicznych połączonych szeregowo-równolegle Źródło: opracowanie własne
16.3. Instalacja fotowoltaiczna niczne, które wykorzystuje koncepcję zwaną modulacją szerokości impulsów. Odpowiedni układ elementów elektronicznych pozwala na wytwarzanie krót-kich impulsów napięciowych o stałej amplitudzie. Zasadę działania pokazano na rys. 16.4.
Rys. 16.4. Modulacja szerokości impulsów
Źródło: opracowanie własne
Jeżeli uśrednimy w czasie wytworzone impulsy napięciowe (1), uzyskamy przebieg schodkowy (2). Jest on zbliżony do przebiegu napięcia sinusoidalnie zmiennego (3). Warto zauważyć, że w okresach czasowych, gdzie zależy nam na otrzymaniu wyższej amplitudy przebiegu wyjściowego, szerokość impul-sów napięciowych jest większa. W pewnym uproszczeniu można powiedzieć, że czym większe pole pod wykresem, tym energia niesiona przez dany przebieg jest większa. Oczywiście czym próbkowanie impulsów będzie większe, tym bardziej przebieg wyjściowy będzie przypominał sinusoidę.
Ponieważ opisana koncepcja nie pozwala uzyskać idealnego przebiegu sinu-soidalnego, w układzie (przed odbiornikiem) stosuje się odpowiednio dobrane filtry pasywne. W oparciu o zjawiska fizyczne związane z indukcyjnością cewek i pojemnością kondensatorów, czyli ich pracą w obwodach prądu zmiennego, możliwe jest wygładzenie uzyskanego przebiegu schodkowego do pożądanego przebiegu sinusoidalnego.
Spośród koniecznych zabezpieczeń, wyróżnia się zabezpieczenia nadprą-dowe, chroniące elementy instalacji przed skutkami zwarć i przeciążeń, ale też ograniczniki przepięć. Należy mieć na uwadze, że instalacje fotowoltaiczne mon-tuje się na płaskich, dużych powierzchniach, a więc zwykle na dachach czy też fasadach budynków. W związku z tym w pewnych sytuacjach, w instalacji może
Badanie instalacji fotowoltaicznej
16.
16.4. Rodzaje paneli fotowoltaicznych
Technologia ogniw fotowoltaicznych rozwija się dynamicznie. Obecnie można sklasyfikować aż trzy generacje ogniw:
16.4.1. Ogniwa krzemowe
Wytwarzane z krzemu poli- lub monokrystalicznego krzemu w formie ele-mentów o grubości ok. 2 mm. Każde pojedyncze ogniwo składa się z warstwy absorbera, czyli krzemu, który ma określoną zdolność do absorpcji promie-niowania elektromagnetycznego o danej długości fali. W związku z poziomem skomplikowania zjawiska fotowoltaicznego, panele tego typu mają sprawność rzędu kilkunastu procent. W absorber wbudowane jest złącze n-p, które reguluje kierunek przepływu prądu przez złącze. Tego typu panel zbudowany jest z folii (np. PET) naniesionej na ramę, połączonych ze sobą ogniw na tejże folii. Całość zabezpieczona jest kolejną warstwą tworzywa sztucznego (np. EVA) i hartowaną szybą.
16.4.2. Ogniwa cienkowarstwowe
Aby absorbcja promieniowania świetlnego mogła przebiegać szybciej i moż-liwie jak najbliżej powierzchni ogniwa, opracowano technologię pozwalającą na napylenie cienkiej (rzędu nawet setnych części milimetra) warstwy absorbera. Co ciekawe, w tego typu urządzeniach nie ma dużego znaczenia, czy absorber ma formę krystaliczną czy amorficzną, co umożliwia zastosowanie szerszego spek-trum materiałów, np. arsenek indu, tellurek kadmu, fosforek indu. Tutaj także absorber wbudowany jest w złącze n-p.
16.4.3. Najnowsze rozwiązania
W fazie testów znajdują się innowacyjne rozwiązania, np. brak zastosowa-nia klasycznego złącza p-n. Wykorzystuje się np. ogniwa wykonane z materiałów organicznych. Są to w głównej mierze rozwiązania w fazie testowej, laboratoryj-nej, nie będą więc przedmiotem niniejszej instrukcji. Inny rodzaj koncepcyjnych projektów to panele wielowarstwowe. Ponieważ efekt fotowoltaiczny zachodzi jedynie dla ściśle określonej, energii fotonu (zależnej od długości fali
promie-16.5. Zagrożenia związane z działalnością straży pożarnej z materiałów dobranych w taki sposób, aby fotony o „nieodpowiedniej” energii wnikały w głąb struktury i powodowały powstawanie efektu fotowoltaicznego w kolejnych warstwach, czułych na nieco inny fragment widma, daje nadzieję zwiększenia sprawności paneli z obecnych ok. 40% do nawet 80%.
16.5. Zagrożenia związane z działalnością straży pożarnej
Analizując pracę systemu fotowoltaicznego, należy pamiętać o ryzyku pora-żenia prądem. Instalacja, odpowiednio połączona, może pracować na napięciu kilkuset woltów. Zależy to od liczby paneli połączonych szeregowo. Ponieważ napięcie po stronie DC (przed inwerterem) będzie powstawać zawsze, jeżeli na panel padać będzie promieniowanie świetlne, należy mieć świadomość, że nie-możliwe jest wyłączenie pracy instalacji.Po stronie AC, możliwe jest rozłączenie obwodu, co sprawi, że instala-cja w danym budynku zostanie odłączona od napięcia. W niektórych krajach wymaga się montowania wyłączników prądu w miejscu łatwo dostępnych dla ekip ratowniczych, a także ich wyraźnego oznakowania, przez co prowadzenie działań przy pożarach wewnętrznych jest bezpieczne z punktu widzenia ochrony przeciwporażeniowej. Zgodnie z normami, instalacja stałoprądowa prowadzona jest wówczas po elewacji budynku i łatwo można ją odróżnić.
Jednak jeżeli sytuacja zastana na miejscu zdarzenia wymaga podawania prądu wody na instalację fotowoltaiczną, sytuacja jest bardziej niebezpieczna. W razie konieczności gaszenia urządzeń pod napięciem, zawsze obowiązuje ta sama zasada – zachowanie bezpiecznej odległości, co jest tematem odrębnego ćwiczenia. Istnieją jednak pewne rozwiązania techniczne, które wymagane są za granicą. W Polsce obecnie brak jest obowiązku ich stosowania, jednak wszędzie tam, gdzie nie minimalizuje się kosztów, dobra praktyka inżynierska nakazuje wykorzystywania tychże rozwiązań.
Koncepcyjnie prostym (choć technicznie niekoniecznie prostym i tanim) rozwiązaniem jest wymuszenie zwarcia panelu, jeżeli zajdzie potrzeba wyłącze-nia napięcia. W takiej sytuacji zagrożenie porażeniem zredukowane jest niemal do zera.
Ponieważ pojedynczy panel fotowoltaiczny generuje napięcie rzędu 30 V, ist-nieje rozwiązanie polegające na rozłączaniu kolejnych par paneli od instalacji DC. Przez tego rodzaju grupowanie, maksymalne napięcie, na jakie narażony będzie
Badanie instalacji fotowoltaicznej
16.
16.6. Metody neutralizacji zagrożenia
Obecne wymagania prawne dotyczące instalacji fotowoltaicznych nie są na tyle restrykcyjne, aby możliwe było obniżenie do bezpiecznego poziomu napię-cia na zaciskach paneli fotowoltaicznych. Nie jest wiadome, kiedy, i czy w ogóle, takie restrykcje zostaną wprowadzone. Wobec tego warto zapoznać się z dostęp-nymi metodami interwencyjnego ograniczenia zagrożenia porażeniem prądem elektrycznym podczas pożarów i innych zdarzeń, gdzie obecne są systemy foto-woltaiczne. Ponieważ panel wytwarza napięcie zawsze, jeżeli pada na niego promieniowanie słoneczne, można rozważyć ograniczenie tego zjawiska wszel-kimi dostępnymi metodami.
Na wyposażeniu samochodu pożarniczego znajduje się zwykle kilka przed-miotów, które mogą w tym pomóc. Istnieje także możliwość taniego doposażenia pojazdu w przydatne akcesoria. Jednym z rozwiązań są worki zrobione z folii o gęstości na tyle dużej, aby jej przepuszczalność dla promieni słonecznych była ograniczona. Odpowiednim rozwiązaniem doraźnym może być folia budow-lana w rolkach, która może być łatwo rozłożona na panelach fotowoltaicznych, przy czym konieczne jest przymocowanie jej do panelu, szczególnie przy odczu-walnym wietrze. Folie o wysokiej gęstości mają zwykle grubość 0,3 – 0,5 mm. Przeprowadzone badania pokazują, że rozwiązanie to może obniżyć generowane przez panel napięcie nawet o 80% przy zastosowaniu jednej warstwy.
Innym możliwym rozwiązaniem jest wykorzystanie koca gaśniczego. Także w tym przypadku przykrycie panelu może skutecznie obniżyć generowane przez panel napięcie do bezpiecznego poziomu. Obecnie stosowane koce wykonane są z włókna szklanego ze specjalnymi powłokami. Skuteczność rozwiązania jest zależna od grubości wykorzystanego materiału. Na rynku istnieją także inne specjalistyczne zastosowania tkanin z włókna szklanego, na przykład osłony spawalnicze. Produkty tego rodzaju mają grubość nawet do 3 mm, co gwarantuje niską przepuszczalność promieni słonecznych.
Dobrym rozwiązaniem mogą być także maty brezentowe, które niemal w 100% niwelują zagrożenie. Należy zaznaczyć, iż powszechnie dostępne plan-deki, np. w formie mat do rozłożenia sprzętu do ratownictwa technicznego (nie mylić z plandekami wykorzystywanymi w transporcie drogowym), nie spełnią właściwie swojego zadania. Wynika to z ich procesu produkcji. Plecione są z two-rzyw sztucznych, co nie gwarantuje wystarczającej spójności materiału, a tym samym satysfakcjonująco niskiej przepuszczalności dla promieni słonecznych.
16.9. Zagadnienia i pytania kontrolne polega na ograniczonym przyleganiu piany do paneli, szczególnie szklanych. Czym wyższy kąt nachylenia panelu względem poziomu, tym problem staje się poważniejszy. Piana ciężka będzie spływać z paneli niezwłocznie po aplikacji. Piana średnia podobnie, choć po nieistotnie dłuższym czasie. Piana lekka, szcze-gólnie wytwarzana systemem CAFS (ang. Compressed Air Foam System), będzie posiadała pewną zdolność do przywierania do powierzchni panelu, jednak ciągle będziemy mieli do czynienia z rzędem wielkości kilku – kilkunastu (w sprzyjają-cych warunkach) minut skutecznej ochrony.
Kolejny problem to mechanizmy niszczenia piany, szczególnie w obliczu trwającego w otoczeniu panelu pożaru. Argumenty te sprawiają, iż nie należy uważać piany gaśniczej jako skutecznego środka ochronnego w kontekście ogra-niczenia dostępu promieni słonecznych do powierzchni panelu fotowoltaicznego.
Obecnie pojawiają się na rynku pewne innowacyjne rozwiązania. Jednym z nich są specjalne gaśnice, które można wykorzystać do pokrycia powierzchni paneli środkiem w nich zawartym. Mają one wytwarzać nieprzepuszczalną dla słońca warstwę, jednak środki te nie zostały jeszcze szczegółowo przebadane. Ponadto, ich dostępność na rynkach europejskich jest ciągle bardzo ograniczona.
16.7. Pomiary laboratoryjne
Podczas ćwiczenia wykonane zostaną pomiary wg schematu opisanego w protokole do ćwiczenia.
16.8. Opracowanie wyników pomiarów
Szczegółowe instrukcje podane zostały w protokole do ćwiczenia.
16.9. Zagadnienia i pytania kontrolne
a) Na czym polega zjawisko fotowoltaiczne?
b) Narysuj i krótko opisz przykładową charakterystykę prądowo-napięciową ogniwa fotowoltaicznego.
Badanie instalacji fotowoltaicznej
16.
f) Scharakteryzuj techniczne sposoby ograniczania napięcia strony DC instala-cji fotowoltaicznej.
g) Opisz metody interwencyjne ograniczania napięcia generowanego przez panel fotowoltaiczny.