Schrack Technik d.o.o., Zagreb

Trofazne mrežne sunčane elektrane

Trofazne mrežne elektrane bez baterija

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 sa osnovama 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 prilično nepopularne 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
  • kabel  i spojnice za električno povezivanje modula
  • montažni sustav
  • elementi prenaponske zaštite
  • izmjenjivač
  • razdjelnik sa zaštitnom opremom za priključivanje na mrežu.

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 iPh (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 karaktertistika 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):

  • NOCT uvjeti: 800 W/m, 20°C temperatura okoline, brzina vjetra 1 m/s = 3,6km/h, AM = 1,5
  • STC uvjeti: 1000 W/m, 25°C temperatura okoline, AM = 1,5

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:

  • dimenzije
  • detalji metalnog okvira (zbog primjene prihvatnih elemenata na noseću podkonstrukciju modula)
  • masa
  • debljina prednje ploče koja pokriva fotonaponske ćelije 
  • dozvoljeni pritisak na prednju ploču
  • izdržljivost na tuču (obično test otpornosti na ispucavanje kuglica promjera 25mm s 1m udaljenosti i brzinom od 23m/s).

 

Činjenica je da se fotonaponski moduli nabavljaju kao trajna i dugogodišnja investicija, stoga nije loše pri nabavci pogledati kakve to proizvođačke oznake sukladnosti kvalitete prate modul, odnosno tvornicu koja ih proizvodi, te koje su sve norme navedene u tehničkim podacima kao zadovoljene.

Certifikati uz fotonaponski modul:

Garancija snage kroz godine

Fotonaponske ćelije nažalost gube efikasnost starenjem. Pri nabavci modula obratite pažnju što proizvođač deklarira kao snagu u godinama eksploatacije. Na slici ispod je vidljivo kako promatrani 250 Wp modul ima garantirano linearno opadanje snage, dok se obično garantira snaga samo u stepenastom opadanju kroz godine što uz malo matematike vidimo donosi dobitak od 5,8% uz linearnu garanciju snage u odnosu na standardnu stepenastu garanciju snage. Kada već modul mora stariti, onda je dobro da to radi što sporije i da proizvođač garantira da neće stariti brže!

Kabel za spajanje FN modula

Za spajanje fotonaponskih modula na ostatak sustava koriste se specijalni kabeli predviđeni za DC napon 1500 VDC i dugogodišnji rad na otvorenom. Mogu se nabaviti u 2 presjeka 4 i 6 mm2 i u kolutima po 100 ili 500m. 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 1000VDC za maksimalni napon na DC ulazu. Moduli imaju maksimalan napon na najnižoj temperaturi okoline. Stoga se primjerice za kontinentalne gradove preporuča uzeti za proračun -25 stupnjeva celzijusa 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 krovu 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-streamliner.

Ukoliko imate ravni krov i zainteresirani ste za ugradnju kućne sunčane elektrane rado ćemo vam pomoći u preliminarnim proračunima i odabiru spojnih elemenata.

Montaža modula na kosi krov

Za odabir elemenata 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.

Primjer procjene nosača i pribora za montažu za postavljanje 40 modula na kosi krov

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 i proslijeđivanje 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 VDC uz In(8/20)=20 kA, Imaks(8/20)=40kA, 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 prikljućuju pomoću priključnih vodova 4 mm2 na ulaz, prolaze svaki preko svoje prenaponske zaštite i prosljeđuju na izlaz DC spojne kutije, odnosno prema ulazu izmjenjivača. DC spojna kutija tako ima 2 +/- ulaza i 2 +/- izlaza. 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 podkonstrukcija modula mora biti uzemljena preko spajanja na sabinicu za izjednačenje potencijala. Kutija s prenaposnkom 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 zu drugi i da se ne stvaraju prostorne petlje zbog opasnosti od induiciranja napona u njima, slika 14 dolje.

Za udaljenosti od DC spojne kutije do mjesta konkretne lokacije izmjenjivača veće od 20 m preporuča 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 kada koristimo izmjenjivač za 10 kW snage fotonaponskih modula, proračunom je određenopotrebnih 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.

Ukoliko želite sami proračunati uparivanje izmjenjivača i modula kod druge izlazne snage, 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 IP65, moguća je njihova instalacija na vanjski zid objekta. Treba voditi računa da izmjenjivači nisu na direktnom udaru sunca dok rade – dobro je predvidjeti zaštita od izravnog sunca. U prostoru do izmjenjivača će se u pravilu naći i ormar u kojem će biti i oprema AC strane izmjenjivača, odnosno kutija dodatne prenaponske zaštite ako je potrebna.

Prema mreži je potrebno predvidjeti RCD sklopku karakteristike A, 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. Uzima se nešto viša vrijednost zaštitnog prekidača i to C karakteristike 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 2. Ako to nije slučaj tada se mora predvidjeti odvodnik struje munje i prenapona klase I+II i to za TNS sustav s In=25kA/polu. U oba slučaja potrebno je predvidjeti odgovarajuće topive pred osigurače koji će istovremeno služiti u kombinaciji s prenaponskom zaštitom za prekidanje struja kvara pri neispravnosti odovodnika, 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 fotonapnska 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.

Promocijska ponuda elemenata za AC ormar