Večnou temou medzi neprofesionálnymi ale aj v diskusiach medzi klientmi a predajcami je orientácia a sklon FV panelov.
Ti ktori vedia o FVE (fotovolticka elektraren) viac hlavne z ostrovného života alebo ako sa odborne vola – bez verejnej siete = off Grid, je temou okrem polohy a sklonu aj tzv.
“Prepanelovanie”. Ide o moznost napojit na inverter MPPT vacsi vykon ako povoluje technicky popis výrobku.
Tymto dvom témam sa budem venovat v tejto kapitole v suvislosti a náväznosti na FVE v off Grid prevádzke.
SLNKO VS. FV PANELY
Pred samotnou analýzou situácie súvisiacej s témou prepanelovania FVE musíme porozumieť významu grafov ktoré nám prezentujú rôzne SW na internete. Jedným z najlepších je PV GIS.
Na prvom obrázku je vidieť koľko kWh vyrobí 1kW elektráreň v jednotlivých mesiacoch.
Simulácia predpokladá panely na zvislo a orientované na juh. Neskôr bude táto orientáciavysvetlená.
Obrázok – Typický priebeh.
Tvar krivky ročného priebehu výkonu má charakteristický priebeh (až na extrémy ako napríklad Kraľovany) a maximálny mesačný zisk energie sa líši len lokalitou.
Najsilnejšie mesiace sú Marec, Apríl a September, Október.
Viac lokalít, ktoré tvoria náhodný prierez Slovenskom je uvedených v prílohe č.1 a V prílohe č.2 si môžeme všimnúť, ako sa vyvíja výkon slnka počas dňa v jednotlivých mesiacoch.
Výkon slnka je však iný ako môžeme vidieť z nasledujúceho obrázku Obrázok – priebeh úhrny energie dopadajúcej na zvislú dosku umietnenú na Zemi v kWh
počas roka.
Prečo je potom nie je výroba energie v najsilnejšom mesiaci z hľadiska výkonu slnka najvyššia ale je nižšia?
Odpoveď je v teplote PV modulu a v jeho celkovom elektrickom odpore ktorý s teplotou narastie a celkový výkon ako súčin UxI klesne.
Prílohy č.3 a 4 sú však zaujímavejšie. Ukazujú ako sa vyvíja výkon slnka/svetla v Decembri a Júni počas dňa. Tu vidíme že v Júni ráno a večer by vyrábali pomerne dobre aj panely orientované na sever.
Obrázok Sever – Jún
A ešte viac panely orientované na Severo-Východ a Severo-Západ
Obrázok Severo-Východ Jún
Obrázok Severo-Západ Jún
Jedno pole však len ráno a druhé večer ale nejde o nezanedbateľný výkon, dokonca je dosť podobný s čistým výchoodm a západom. Kvôli letu však nebudeme panely umiestňovať na sever alebo severozápad lebo ako vidíme v decembri tak na S-V a S-Z je výkon zanedbateľný.
Obrázok Decenber S-V
A podobne je to aj na S-Z. Avšak v decembri vieme získať zaujímavý výkon z Juho-Východu a Juho-Západu
Obrázok December J-V
Preto je hodno sa zaoberať polohou panelov aj na J-V a J-Z a pozrieť sa na priebehy výkonov na paneloch počas dňa.
Z obrázkov je zrejmé, že ak v decembri je na J-V a J-Z najvyšší výkon slnka je iba 200W/m2, kým v lete napríklad na juhu je 2,5x vyšší, že umiestnením panelov iba na tieto strany by sme nikdy nedosiahli maximálny výkon elektrárne.
Tento efekt je v ostrovnom režime pre nás veľmi významný a to z toho dôvodu, že v ostrovnej prevádzke je najvyšším rizikom decemberový deň kedy nesvieti slnko. Ak
takýto stav pretrváva niekoľko týždňov, tak s bežnou FVE by off-grid domácnosť bola o pár dní bez elektriky. My však musíme zabezpečiť EE (el. Energia) aj počas niekoľko mesačného zamračeného počasia, za predpokladu, že nechceme požívať elektrocentrálu. Jej používanie je síce veľmi rozumné, ale pre tento prípad si predstavme že ju používať nemôžeme a pokračujme v úvahe ďalej.
Ideálna FVE je taká elektráreň, ktorá počas slnečného dňa neprekročí výkonom povolený výkon na DC/DC a DC/AC inverteroch predpísaný výrobcom, a súčasne počas zamračených dní vyrába čo najvyšší výkon. Vysoký výkon počas zamračených dní však dosiahneme iba s veľmým počtom FV panelov. Naopak zase počas slnečných dní veľký počet FV panelov spôsobí prekročenie najvyššieho povoleného výkonu.
Aby sa však výkony počas zamrečeného a slnečného dňa čo najviac k sebe priblížili a súčasne neprekročili najvyšší povolený výkon MPPT regulátora (PV INPUT), dosiahneme správnou voľbou polohy FV panelov. Ako ideálne riešenie sa javí:
– FV panely umiestniť súčasne na Juh, Juho-Východ a Juho-Západ
– a sklon panelov zvoliť na zvislo teda 90°
Takáto FVE doahuje optimálny výkon v Apríli a súčasne v decembri. V ďalšej časti kapitoly
bude toto tvrdenie odôvodnené.
SKLON FV PANELOV
Najzákladnejšou polemikou je vsak vzdy sklon panelov. Historicky sa nazory vyvíjali asi takto:
1. Obdobie MW elektrarni. Ked prislo obdobie dotacii a spätného vyplácania penazi tak sa firmy snažili predať a aby predali tak optimalizovali škôl oanelov tak aby ROČNÁ úhrna energie bola co nakvyssia. V tomto pripade sa volil sklon panelov na polohu slnka do mesiacov kedy je jeho vykon vysoky a teolota vzduchu nizka. Cize okolo apríla.
2. Neskor ale ludia zistili ze aj v zime by trosku chceli a sklon sa trosku priklonil smerom “hore”. Čiže oanely uz boli o nieco kolmejsie.
3. Tymto dvom situáciám sa nebudem v clanku venovat. Venovat sa budem situacii kedy sme na FVE zivotne zavisli a potrebujeme aby nam vyrábala elektriku aj led
slnko mesiac nesvieti a hlavne ak uz tyzdne sneží. A prave sneženie je tym oroblemom. Ak totiz sneží a oanely su zasnežené tak nevyrabaju vibec nic.
Naoriek tomu urobim mensiu analyzu.
Keďže som zo Žiliny tak som si zvolil nahodne Žilinu v decemberi (pre 1kW elektrárne):
Prvy udaj je sklon panelov v ° a za tym je orientácia panelov, za znamienkom = je mesačná
vyroba EE v decembri elektrárnou 1kWp, kedy ju najviac potrebujeme.
– 30° juh = 32,6kWh
– 60°juh = 40,07kWh
– 70° juh = 41,25kWh
– 75° juh = 41,1kWh
– kolmo juh = 39,16kWh
– optimálny ročný sklon juh = 35,5kWh
– 2 osí tracking = 45,43kWh
Záver je taký, že ak si odmyslíme 2-osé natáčanie panelov a zvážime ďalšie okolnosti nevýhody naklonených panelov, ako napríklad možnosť ich zasneženia, tak kolmo =
najlepšie. Naozaj, ak FV panel je zasnežený tak jeho výkon je nulový, a ak je čo i len silno zaprášený vplyvom sklonu tak jeho výkon je takmer nulový. Preto FV panley umiestnime na kolmo a z nevýhody urobíme výhodu ako bude popísané v ďalšom texte.
Len pre porovnanie 2-osé natáčanie pre 9kW FVE stoji v Čine bez dopravy cla a dph asi 3500$. Cize odhadujem ze cena s dopravou a poplatkami by bola okolo +100%. Za taku sumu si vsak mozeme dokupit dalsie panely a rocna vyroba sa zvysi aj keby tie panely boli v NEOPTIMALNEJ polohe. Natacanie panelov ma preto vyznam hlavne ak je nedostatok miesta na pozemku.OR
IENTÁCIA FV PANELOV
Ďalšou rozsiahlou temou je orientácia FV panelov. Tu bola situacia historicky stale rovnaká, teda taka ze ludia aj kalkulacky ukazovali ze oanely najviac vyrabaju na juhu. Ano, ale to je vtedy ked nesvieti slnko. Lenze v off Grid prevádzke nas slnko nezaujima. Vyedy je aj “teplo” aj svetlo a vykonu ke aj tak viac ako dokazeme spotrebovať a ulozit. Nas musi zaujimat len extrem a tym je ze slnko nesvieti. Len ore zaujimavost: v poslednych 15 rokoch (dnes je 2022) bolo v ziline zaznamenane súvisle obdobie 2 mesiace bez slnka = stale zamracene. A takychto oblasti je na Slovensku viac.
Z predchádzajúcej kapitoly vieme ze v podstate sklon kolmý je iba zanedbatelne horsi od optimálnych sklonov panelov. Preto budeme situaciu uz popisovať pri kolmom sklone.
Pozrime sa na to aky vykon mame k dispozicii v difúznom osvetlení = nie je slnko, pri kolmom sklone panelov v decembri kedy je den najkratší:
– juh = 70W/m2
– východ = 50W/m2
– západ = 45W/m2
– sever = 30W/m2
– kolmo smerom hore k oblohe = 86W/m2
Na prekvapenie niektorych ludi aj panely na severe majú svoj význam počas zamračených dní ak tie panely už nie je kde inde umiestniť, lebo ako vidime tak v difuznom svetle = bez slnka = zamracene, je vykon svetla aj na severe nezanedbateľný.
Tu sa vsak vratim k 2-osemu natáčaniu panelov ktore vzdy vyhodnotí ako najoptimálnejší sklon Komo hore k oblohe kde ako vidime je najvacsi vykon svetla.
V predchádzajúcej teme je vsak napisane ze cena takehoto zariadenia je tak vysoka ze ak by sme si kupili viac panelov tej istej cene tak urobime lepsie z hladiska vykonu.
PREPANELOVANIE
A dostávame sa k najzaujimavejsie teme pre ludi ktori pre svoj zivot nutne potrebuju FVE ale nechcu aby bol system moc drahy a tou temou je prepanelovanie.
PREPANELOVANIE je sitiacia kedy naoriklad na 4kW MPPT nabijac baterii chceme pripojiť vyssi vykon ako 5kW.
Niekto sa spyta: a preco by sme to mali robit???
Ide o pomer ceny panelov a spoľahlivosti k elektronickým zariadeniam akym MPPT regulator je. Panel je zariadenie ktore je nenáročné na vsetko. On niekde jednoducho visí a nevyžaduje si zoadnu udrzbu, je takmer neznicitelny (ak je nakolko = nezničia ho ani krúpy), a vydrzi 30 rokov. Kym MPPT regulator pracuje cely den s prúdmi a napätiami a snaží sa ich “skrotiť” čiže jeho životnosť je oveľa kratšia a cena pomerne vysoka.
Pozrime sa na tuto situaciu ale od zaciatku.
Uz vieme že ak slnko svieti tak nada elektraren zvyčajne vyraba viac energie ako dokazeme minúť. Je to preto že ak zijeme v off Grid tak nasa elektraren nebude mat vykon pravdepodobne 1kW ale urcite omnoho vyšší. Bežne tieto vykony začínajú niekde okolo 7kW a 7kW je naozaj dosť vysoky vykon aby sme mali nedostatok aj na pílenie dreva cirkularom. Ak chce ale clovek zit s rodinou v off Grid tak vykony FVE byvaju aj 30kW (zakon povoluje najviac 10kW!). Ak by boli FV panely 30kW Elektrarne rozmiestnené neoptimálne (nie vsak na sever) tak aj tak by vyrabali najmenej 20kW a to je stale viac ako vieme minúť.
Opäť vsak musim zopakovat, že NAS SLNKO NEZAUJIMA, NAS ZAUJIMA ZAMRAČENÁ OBLOHA V DECEMBRI!!!
A preto sa musime snazit dosiahnut co najvacsi vykon fve aby v zamracenom pocasi bol vykon Elektrarne aspon taky aby pokril beznu spotrebu domacnosti, lebo vykon Elektrarne ke v zamracenom počasí a v decembri iba okolo 5%, a okrem toho viditeľný den trva iba 8 hodin (16 hodin je tma!).
Veľká fve si ale vyzaduje výkonné MPPT regulatory a výkonné invertre. Ich cena moze byt v zhladom k cene panelov dokonca vyssia za predpokladu že sme si kupili vo výpredaji panely zo starej fve z čias kedy firmám za EE z fve štát platil. Taketo oanely sa pohybujú v cenach okolo 14-25€/ks pri vykone panelu okolo 240W. Ak si uvedomíme ze kvalitny vysokonapäťový 4kW MPPT regulator zacina s cenou okolo 500€ a konci okolo 1500€ tak cena 4kW fve z takychto panelov je niekde okolo 250-420€ (17ks). Ide o cenu vez vodičov, ističov, konstrukcie a.i. S nimi sa cena pohybuje priblizne +200-300€ ak ako konstrukciu pouzijeme plot pozemku ktory nevyužiť by bolo v off Grid prevádzke nerozumné.
Cena FV panelov bezne v obchode sa pohybuje okolo 0,5-1€/W Cize pre bezne dostupne panely 280W je cena okolo 56€-280W v zavislosti na ucinnosti ktora sa pohybuje od 18% do asi 21% čo nie je az taky velky rozdiel.
Preto vyuzit second hand panely je pre off Grid prevadzku idealne riesenie do doby kym ceny novych FV panelov neklesnú na ceny z roku 2019.
Ale uz konecne k samotnému prepanelovaniu. Z finančných dovodov preto niektori ludia, ktori pracovali vo vyskume a videli ako sa vyvíja
vykon svetla pocas dna vo W/m2 začali uvazovat nad tym že v istej polohe FV panelov by PRI SLNEČNOM DNI VYKON ELEKTRARNE NEPREKORCIL PV INPUT MPPT REGULÁTORA A SUČASNE V ZAMRACENOM DNI BY SME MALI VIAC PANELOV ABY VYRABALI VIAC EE.
Na obrazku su pouzite 3 polia panelov (PV Array) o vykone 1kWp s tym ze polia su rozmiestnené na čistý Východ-Juh-Západ a skoonje 90° teda kolmo k zemi.
Tabulka popisuje situaciu pri jasnej oblohe v apríli.
Z tabulky je vidiet, že pri tomto usporiadaní z FVE nedostaneme v ziadnom okamihu dňa viac ako 42% inštalovaného vykonu. Cize ori tomto usporiadaní by nam na 3kWp pole panelov postačoval MPPT regulator o vykone 1.3kW a nedošlo by k jeho spáleniu.
PREPANELOVANIE MÔŽE BYŤ V TOMTO PRIPADE VIAC AKO 55% Skusme teraz panely z V a Z natočiť viac na juh. To popisuje nasledujuca tabulka – v tej istej
elektrarni su V a Z polia natočené na JV a JZ. Opäť ide o april a jasnú oblohu.
V tomto pripade sa okamžitý vykon fve zvysil na asi 60% inštalovaného vykonu. Cize prepanelovanie je mozne o 40%.
Keďže su panely na zvislo a v decembri je chladno nalsedkom coho maju oanely nizky elektricky odpor, tak panely mozu vyrobit dost vela energie.
V nasledujúcej tabulke preto pre kontrolu vyšetrime ako sa bude správať elektráreň v decembri pocas jasného dňa, ori sklone 900 a natočení osnelov na JV-J-JZ.
Prepoklad sa potvrdil a vykon Elektrarne dosiahol este vacsi vykon ako v aprili. Kym v aprili bol najvyssi vykon 1717W tak v decembri uz je 1744W. Do vypoctu vsak nie je zahrnutý znížený odpor panelu ktory moze sposobit 10% narast. Avsak straty vo vedení byvaju v off Grid fve okolo 10-15% cim s rozdiel zmaže. Pre bezpecnosť vsak mozeme uvazovat s vykonom o 174W viac = 1891W ak zanedbane straty vo vedení.
S takymto zapojením to vsak nie je uplne jednoduche. V poli panelov kde nesvieti slnko nastava situacia ze tieto panely maju nizke napätie a preto ostatne panely “tlačia elektriku” do nich cim sa tieto panely prehrievajú a poškodzujú. V minulosti dochádzalo pri amorfnych paneloch až k požiarom a aj z toho dovodu sa prestali vyrábať.
Na zaver v poslednej tabulke vyšetrime situaciu ako sa bude tato fve správať ak bude v decembri zamracene pocasie a jedine svetlo ktore nam vie dodat energiu je difúzne svetlo.
Tabulka nam ukazuje to co sme uz zistili na zaciatku kapitoly, a to že na polohe oanelov nezalezi lebo ako vidime tak vykon jednotlivych ramien Elektrarne je pocas dna “skoro” rovnaky. A toto je náš cieľ = zvysit dodávaný vykon do siete na 3-nasobok za predpkladu menšieho poctu MPPT regulátorov a nižšej ceny.
Zaver
Z clanku su zrejmé tieto fakty:
– sklon panelov pre off Grid prevadzku je najvhodnejší kolmo teda 90°
– v zamracenom pocasi je takmer jedno na aku svetovu stranu su fv panely natočené
– a prepanelovanie MPPT regulátora nie je vobec nebezpecné pri vhodnom natočeni jednotlivých polí elektrarne.
Vsetko vyssie popisane vsak nemusime vobec riesit ak mame neobmedzený rozpocet pripadne rozpocet tak vysoky ze si radi kupime uplne nove fv panely a MPPT zariadenia vykonovo zhodne s inštalovaným vykonom. Cena takejto Elektrarne vsak bude X krat nasobne drahsia (nieledy viac ako 10x) ako rozumne zvolenej Elektrarne.
Cela problematika je vsak omnoho zložitejšia a vyzaduje si viac výpočtov a merani.
Clanok ma sluzit len na zakladny prehlad a zorientovanie sa v teme fotovoltickych elektrarni. Za pripadne zapojenie fve bez predchádzajúcej konzultácie nenesie autor clanku zodpovednost!
Prílohy
