Fotowoltaika
Zastosowanie odnawialnych źródeł do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej stanowi skuteczny sposób na ograniczenie kosztów eksploatacyjnych budynków. Spośród dostępnych technologii OZE, największym potencjałem wdrożeniowym charakteryzują się pompy ciepła oraz moduły fotowoltaiczne. Przed inwestycją w odnawialne źródła energii należy ograniczyć zapotrzebowanie na ciepło i energię elektryczną budynków, dzięki czemu możliwa będzie efektywna praca urządzeń OZE oraz uniknięcie przewymiarowania instalacji.
Instalacja fotowoltaiczna (PV) to system urządzeń, przy udziale których produkowana jest energia elektryczna z energii promieniowania słonecznego. Każda instalacja PV jest zbudowana z kilku podstawowych elementów, w tym modułów fotowoltaicznych oraz co najmniej jednego falownika (inwertera).
W zależności od wielkości, instalacje PV można podzielić na trzy główne typy:
• mikroinstalacje fotowoltaiczne – niewielkie, zazwyczaj przydomowe systemy, których moc nie przekracza 50 kWp. Użytkownicy mikroinstalacji fotowoltaicznych określani są mianem prosumentów. Prosumenci mogą konsumować energię elektryczną wytworzoną w instalacji PV w czasie rzeczywistym, a nadmiar energii przesyłać do sieci elektroenergetycznej. W okresie niedoboru energii elektrycznej wytwarzanej w instalacji PV, osoby takie mogą odebrać z sieci odpowiedni wolumen zmagazynowanej energii. Tyczy się to instalacji zgłoszonych do końca marca 2022 r. Od kwietnia 2022 r. mikroinstalacje PV wchodzą w skład systemu tzw. net-biling.
• małe instalacje fotowoltaiczne - instalacje o łącznej mocy zainstalowanej z zakresu 50-1000 kWp, przyłączone do sieci elektroenergetycznej o napięciu niższym niż 110 kV. W przypadku instalacji PV o mocy przekraczającej 150 kWp inwestorzy mają obowiązek uzyskania pozwolenia na budowę, a następnie dokonania wpisu do rejestru wytwórców energii w małej skali.
• farmy fotowoltaiczne - największe instalacje PV, których moc zainstalowana wynosi co najmniej 1 MWp. Traktowane są one jako elektrownie zawodowe i oprócz pozwolenia na budowę, konieczne jest posiadanie koncesji na wytwarzanie i sprzedaż energii do sieci elektroenergetycznej.
Moduły fotowoltaiczne
Podstawowym elementem instalacji PV są moduły fotowoltaiczne połączone ze sobą szeregowo i/lub równolegle. Na rynku dostępne są różne generacje ogniw fotowoltaicznych:
• ogniwa I generacji - ogniwa monokrystaliczne lub polikrystaliczne oparte na waflach krzemowych (krzemie krystalicznym);
• ogniwa II generacji, czyli tzw. ogniwa cienkowarstwowe w tym przypadku materiałem półprzewodnikowym nie jest jedynie krzem. Na rynku dostępne są m.in. ogniwa CdTe (wykonane z tellurku kadmu), CIGS (wykonane z indu, galu i selenu) czy też CIS (wykonane z miedzi, indu i selenu);
• ogniwa III generacji (inaczej zwane barwnikowymi). Budowane są na bazie polimerów i barwników, a ich praca oparta jest na zjawisku fotosyntezy. Mogą być one transparentne oraz w niskim stopniu podatne na zacienienie.
Aktualnie stosowane w instalacjach komercyjnych moduły fotowoltaiczne to przede wszystkim moduły monokrystaliczne, które charakteryzują się sprawnością na poziomie ok. 18-23% oraz mocą jednostkową na poziomie ok. 200 Wp/m2. Wymiary pojedynczych modułów zależą od liczby zainstalowanych ogniw PV, która standardowo wynosi 48, 60 lub 72. Typowa moc dostępnych na rynku modułów fotowoltaicznych waha się od 350 do 450 Wp. Typowa waga pojedynczych modułów mieści się od 18 do 25 kg.
W praktycznym ujęciu, poza sprawnością modułów fotowoltaicznych, na ich wydajność wpływają następujące czynniki:
• miejsce i sposób montażu, w tym nachylenie, orientacja itp.;
• charakterystyka promieniowania słonecznego, w tym wartość natężenia, widmo, itp.;
• warunki atmosferyczne, w tym temperatura otoczenia, prędkość wiatru, itp.;
• bezpośrednie otoczenie instalacji fotowoltaicznej, w tym elementy zacieniające itp.;
• jakość urządzeń współpracujących z modułami fotowoltaicznymi (straty systemowe).
Interesującym rozwiązaniem w kontekście zwiększenia efektywności pracy instalacji PV są tzw. ogniwa bifacjalne. Zbudowane są one zazwyczaj z ogniw I generacji, które umieszczone są po obu stronach modułu fotowoltaicznego. Taka budowa modułu pozwala na zwiększenie uzysku energii elektrycznej poprzez wykorzystanie tzw. albedo powierzchni, tj. zdolności do odbijania promieniowania słonecznego przez powierzchnie otaczające moduł PV. Poprzez wykorzystanie ogniw bifacjalnych zwiększa się powierzchnię czynną ogniw (czyli tę powierzchnię, która ma zdolność do wytwarzania energii elektrycznej) bez zwiększania całkowitej powierzchni instalacji PV. Takie rozwiązania są szczególnie efektywne w dużej skali (np. w farmach fotowoltaicznych).
Falowniki (inwertery)
Ze względu na charakterystykę pracy modułów fotowoltaicznych, które generują prąd stały, w celu podłączenia instalacji PV do sieci elektroenergetycznej konieczne jest zapewnienie konwersji prądu stałego na prąd zmienny– realizowane jest to przez falowniki (inwertery). Poza konwersją falowniki spełniają w instalacji PV następujące funkcje:
• maksymalizacja wytwarzanej mocy poprzez zastosowanie układów śledzenia mocy maksymalnej;
• regulacja pracy instalacji PV i synchronizacja z siecią elektroenergetyczną, w tym monitorowanie i odłączanie instalacji PV od sieci, jeżeli jest to wymagane ze względów bezpieczeństwa lub z innych powodów;
• monitorowanie – pomiar i wyświetlanie informacje, które umożliwiają ocenę poprawności działania instalacji PV oraz zdiagnozowanie ewentualnych usterek.
Dostępność promieniowania słonecznego
Polska charakteryzuje się dość stałym potencjałem promieniowania słonecznego. Dla centralnej Polski potencjał szacuje się na ok. 1200-1300 kWh/m2 rocznie, a dla terenów południowej i północnej Polski wartość ta zbliża się do ok. 1000 kWh/m2 rok.
Z uwagi na ukształtowanie naszego terenu, podane wyżej wartości mogą się znacznie różnić. Przykładowo, dla terenów górzystych zorientowanych w stronę inną niż południowa, rzeczywisty potencjał promieniowania słonecznego może być niższy o ok. 20-50%. W efekcie, średnie wartości uzysku energii elektrycznej z 1 kWp mocy zainstalowanej w przypadku powiatu nowotarskiego wynoszą ok. 900-950 kWh/(m2∙rok). Podczas planowania inwestycji w instalacje PV konieczne jest więc przeprowadzenie szczegółowych analiz terenowych.
Innym parametrem charakteryzującym możliwy uzysk energii z instalacji PV jest średnie roczne usłonecznienie, które wynosi w Polsce średnio ok. 1 580 godzin, przy czym ok. 75% z tego czasu przypada na półrocze letnie (od kwietnia do końca września). Niemniej należy mieć na uwadze, że wartość usłonecznienia na obszarze Polski systematycznie rośnie.
Rynek PV w Polsce
Szacuje się, że umownym początkiem branży fotowoltaicznej w Polsce były lata 2002-2003, kiedy moc zainstalowana w sektorze fotowoltaiki wynosiła ok. 100 kWp. Kolejne lata przynosiły wzrost mocy o 100-200 kWp. Przełomowym momentem był rok 2011, kiedy powstała pierwsza w Polsce farma fotowoltaiczna – farma w Wierzchosławicach o mocy 1 MWp. Istotnym momentem w rozwoju branży fotowoltaicznej był program Prosument, który liberalizował prawo przyłączania nowych instalacji do sieci energetycznej, a także program „Mój Prąd”, który wraz z ulgami podatkowymi spowodował jeszcze szybszy wzrost mocy fotowoltaicznych w polskim systemie elektroenergetycznym. W 2019 r. została przekroczona bariera 1 GWp mocy zainstalowanej z fotowoltaiki.. Obecnie Polska jest drugim rynkiem w Europie z największym przyrostem mocy. Pierwsze miejsce zajmują Niemcy z przyrostem mocy ok. 5,3 GWp w 2021 r.
Ze względu na tak dynamiczny rozwój fotowoltaiki w Polsce pojawił się duży problem związany z ograniczeniami sieci przesyłowych. W 2025 r. dostępna moc do wprowadzenia do systemu elektroenergetycznego szacowana jest na ok. 7,1 GW.
Magazyny energii - dobre praktyki z naszej okolicy
Na terenie Gminy Ochotnica Dolna (Powiat Nowotarski) realizowany jest pilotażowy projekt magazynowania energii wspólnie z TAURONEM, firmą Apator S.A. i Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie.
Głównym celem jest redukcja wzrostów i asymetrii napięć, co zdarza się w miejscach o dużej koncentracji jednofazowych mikroinstalacji na niewielkim obszarze. Magazyn na terenie gminy ma zmniejszyć liczbę automatycznych wyłączeń, a tym samym usprawnić pracę istniejących mikroinstalacji prosumenckich. Magdalena Cygan z Nowotarskiego Alarmu Smogowego zauważa, że magazyny energii są bardzo istotne z punktu widzenia gospodarowania energią. Jak tłumaczy, jest problem z odbieraniem energii z fotowoltaiki. Sieci często są przeciążone, a prosumenci narażani na straty. Magazyn energii jest efektywnym rozwiązaniem, bo umożliwia i ułatwia odbiór wyprodukowanej przez siebie energii, mimo problemów z siecią. Bardzo istotną zaletą magazynów energii jest fakt, że prosumenci nie oddają energii do bliżej nieokreślonej sieci, a do swojego własnego magazynu. Ta energia jest więc na ich własny użytek – posłuży konkretnie im.
W sytuacji zagrożenia, czy zachwiania bezpieczeństwa energetycznego kraju, magazyny energii tym bardziej nabierają znaczenia. Dzięki nim zyskuje się samowystarczalność i niezależność energetyczną. Magazyny energii stanowią niedaleką przyszłość w dalszym rozwoju fotowoltaiki w Polsce.
Artykuł powstał w ramach Projektu Life Ekomałopolska dla Klimatu, który jest realizowany przez Powiat Nowotarski oraz przy udziale Pani Magdaleny Cygan z Nowotarskiego Alarmu Smogowego.
Przygotował: Bartłomiej Zięba – Doradca ds. klimatu i środowiska
