Sposób działania komercyjnej farmy PV

Inwestycje w farmy PV stały się w Polsce najbardziej popularną formą inwestycji w OZE, szczególnie że umożliwiają one instalowanie paneli fotowoltaicznych nawet w gospodarstwach domowych, co kosztuje kilkadziesiąt tysięcy złotych. To początek drabinki inwestycyjnej, a na jej końcu są wielkopowierzchniowe komercyjne farmy fotowoltaiczne warte kilkaset milionów złotych. Niezależnie od wartości inwestycji, techniczne aspekty działania farmy fotowoltaicznej są podobne. W tym opracowaniu skupiono się jednak na farmach inwestycyjnych, a nie przydomowych instalacjach.

Etapy budowy

Po otrzymaniu wszystkich niezbędnych dokumentów i warunków, można przystąpić do budowy farmy PV. Planując ten etap, należy brać pod uwagę poszczególne fazy jej powstawania. Przykładowym, ale i typowym schematem budowy farmy jest poniższy plan:

1. Montaż paneli fotowoltaicznych.
2. Montaż bezobsługowych abonenckich stacji transformatorowych oraz budynku technicznego.
3. Montaż magazynów energii (opcjonalne, coraz popularniejsze i przyszłościowe rozwiązanie).
4. Przeprowadzenie podziemnych linii energetycznych średniego napięcia.
5. Realizacja drogi dojazdowej oraz placu montażowego (chyba, że droga jest wybudowana wcześniej, a jej parametry umożliwiają transport materiałów potrzebnych do realizacji inwestycji).
6. Realizacja ogrodzenia zewnętrznego farmy fotowoltaicznej oraz montaż urządzeń alarmowych (opcjonalne, ale istotne dla bezpieczeństwa).

Gdzie budować komercyjną farmę fotowoltaiczną?

Grunt pod budowę farmy PV musi spełniać określone normy. Przede wszystkim możliwości jej budowy warunkują kwestie prawne – farmy powstają na gruntach klasy czwartej, piątej lub szóstej oraz nieużytkach rolnych. Działki nie mogą być zlokalizowane na terenach chronionych czy w parkach krajobrazowych. 

Działka musi też spełniać określone parametry rozmiarowe. Przyjmuje się uproszczony przelicznik, że na każdy 1 MW mocy farmy fotowoltaicznej działka powinna mieć 1-1,5 ha, a szerokość minimum 50 metrów. Jest to uwarunkowane tym, aby na takim obszarze dało się postawić rzędy paneli w ten sposób, aby wzajemnie się nie zacieniały. Działka powinna też być płaska lub o umiarkowanym nachyleniu, bez drzew, bo to utrudni wykorzystanie w pełni potencjału nasłonecznienia.

Grunt, na którym zostanie wybudowana farmy PV musi też spełniać określone warunki infrastrukturalne. Działka powinna mieć dostęp do drogi publicznej. W okresie budowy odbywać się będzie transport ciężkich materiałów, a więc droga powinna być utwardzona i odpowiednio szeroka. Instalacja na farmie musi też mieć możliwość podłączenia do sieci elektroenergetycznej, a zatem powinna być usytuowana w pobliżu odpowiednich linii przesyłowych średniego napięcia. Krótsza odległość do punktu odbioru energii, oznacza mniejsze koszty przyłączenia farmy PV do sieci elektroenergetycznej. Problemem może za to być zbyt wysokie napięcie w sieci, które w Polsce wciąż są mocno przestarzałe. Będzie to prowadzić do okresowych wyłączeń instalacji i przerwach w produkcji prądu. Jeśli problem leży po stronie OSD, można złożyć odpowiedni wniosek o obniżenie napięcia w sieci do właściwego operatora sieci dystrybucyjnej.

W przepisach nie ma wskazanej odległości farmy od budynków mieszkalnych. Warto kierować się informacjami z Miejscowego Planu Zagospodarowania Przestrzennego, który reguluje zasady realizacji inwestycji i określa, jaka odległość powinna zostać zachowana od sąsiadujących działek. Warto zadbać o zachowanie stosunkowo dużej odległości. Pozwoli to uniknąć nie tylko protestów czy innych potencjalnych problemów z sąsiadami, ale także uchronić działkę od zacienienia, a to już ma konkretne przełożenie na ilość produkowanego prądu.

Opis urządzeń i zastosowanej technologii paneli

Poniższy rysunek prezentuje schemat przykładowej farmy PV, na przykładzie którego omówione zostaną kolejno zastosowane technologie i urządzenia niezbędne do prawidłowego funkcjonowania takiej inwestycji.

Rys. 1. Schemat typowej farmy fotowoltaicznej

Źródło: www.egsystem.pl

Farma PV składa się z takich elementów, jak:

• Panele fotowoltaiczne,
• Stelaże pod panele,
• Inwertery,
• Złącza kablowe,
• Stację transformatorową.

Niezbędnym elementem farmy fotowoltaicznej są panele fotowoltaiczne. Poniżej schemat ich konstrukcji:

Rys. 2. Przekrój panelu fotowoltaicznego

Źródło: www.ee.co.za

Panele fotowoltaiczne składają się z połączonych ogniw o niewielkiej mocy, które są wykonane z półprzewodnika. Ogniwa te wytwarzają energię elektryczną poprzez pochłanianie promieniowania słonecznego (efekt fotowoltaiczny). Na rynku najpopularniejsze są dwa rodzaje ogniw fotowoltaicznych:

• Monokrystaliczne – ogniwa wykonane z jednego kryształu krzemu; można je rozpoznać po ściętych narożnikach panelu,
• Polikrystaliczne – ogniwa składające się z wielu kryształów krzemu; posiadają powłokę, która ukazuje ich strukturę wewnętrzną.

Moduł taki zbudowany jest z połączonych i zalaminowanych ogniw PV, które od góry są chronione szyba o właściwościach antyrefleksyjnych, a od dołu izolacją (folia elektroizolacyjna). Całość znajduje się w ochronnej aluminiowej ramie. W tylne części znajduje się puszka z kablami i złączkami. Przewidywany czas pracy paneli to zwykle 25-30 lat. Ich produktywność z roku na rok może maleć, ale zwykle są to niewielkie wartości. Przyjmuje się, że w ciągu 20 lat pracy degradacja paneli PV to 5-15%. Z badań empirycznych naukowców z Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN  wynika jednak, że rzeczywista degradacja jest mniejsza. Zbadali oni degradację przez pierwsze 15 lat i wyszło, że nie przekroczyła ona 3% w ciągu tego okresu.

Aby panel pracował optymalnie, należy zapewnić mu ekspozycję najlepiej w kierunku południowym, możliwy brak zacienienia oraz właściwy kąt nachylenia. Maksymalną odbieraną moc przez system można uzyskać w przypadku prostopadłego padania promieni słonecznych na powierzchnie modułu. Nasłonecznie w Polsce jest dosyć optymalne (podobne do poziomu Niemiec).

Panel PV ustawia się na aluminiowych lub stalowych stelażach. Zwykle na etapie sporządzania projektu budowlanego wykonywane są obliczenia dotyczące głębokości wbijania stelaży oraz techniki montażu, aby zapewnić konstrukcji odpowiednią odporność na warunki atmosferyczne (śnieg, wiatr itp.). Stelaże pod montaż paneli, mogą być realizowane jako stałe, bądź jako instalacje śledzące ruch słońca (Tracker). Trackery solarne to systemy śledzące ruch słońca, w ramach swojej konstrukcji poruszające ustawieniem paneli PV, które umożliwiają ustawianie paneli PV w optymalnym kierunku i pod optymalnym kątem względem Słońca.

Przy montażu paneli stałych powinna być ekspozycja paneli trwale w kierunku południowym przy kącie nachylenia 20-45 stopni. Pryz takiej konstrukcji przyjmuje się, że produkcja energii z 1 MW w Polsce sięgnie 1000-1200 MWh.

Wykorzystanie trackerów solarnych pozwala na zwiększenie produkcji energii, w zależności od ich modelu:

• Jednoosiowe – czyli panele poruszają się w osi pionowej lub poziomej (w jednej wybranej, druga pozostaje nieruchomo); ta technologia pozwala uzyskać o 20-30% większą produkcję energii,
• Dwuosiowe – panele PV poruszają się w dwóch płaszczyznach – poziomej i pionowej i w szerokim zakresie kątów; ta technologia pozwala uzyskać o ok. 40% wyższą produkcję energii.

Trackery solarne mogą być niezależne energetycznie, pobierając prąd bezpośrednio ze zgromadzonej energii słonecznej, z bardzo małym zapotrzebowaniem na energię. Trackery solarne wykorzystują szereg danych, ustawiając się nie tyle co do obecnej, co do przewidywanej sytuacji pogodowej.

Rozwiązaniem pośrednim, tańszym niż trackery solarne, ale i dającym pewną możliwość optymalizacji pracy farmy PV, jest ustawienie konstrukcji zapewniającej możliwość ręcznego przestawiania pozycji paneli fotowoltaicznych. Taka konstrukcja może dać ok. 15% większą produkcję energii, ale jednocześnie wymaga więcej pracy – zwykle ustawia się to jednak tylko dwa razy – w pozycję letnią i zimową.

Zabezpieczenie paneli PV

Urządzenia będą działać poprawnie, jeżeli zostaną poprawnie zamontowane i zabezpieczenie. Na odpowiedniej konstrukcji nośnej (opisana wcześniej) montowane są zestawi połączonych ze sobą ogniw PV, razem tworząc panel PV. Ogniwa PV w panelu muszą być zabezpieczone, przykładem takiego zabezpieczenia jest umieszczenie ogniw pod hartowaną szklaną płytą, która zapewnia ochronę przed trudnymi warunkami pogodowymi (grad, śnieg, mróz), a także poprawia przepuszczanie promieni słonecznych. Z tyłu z kolei umieszcza się również jakąś powłokę ochronną, np. folię FPA, która zabezpiecza ogniwa przed wpływem niekorzystnych warunków pogodowych oraz chroni przed mechanicznymi czynnikami, jak wibracje czy uderzenia. Całość konstrukcji jest obejmowana aluminiową ramą dającą sztywność konstrukcji.

Infrastruktura techniczna

Panele PV są niezbędną częścią farmy, ale do jej działania potrzebna jest również odpowiednia infrastruktura techniczna, do której należą:

• Inwertery,
• Okablowanie DC – prądu stałego (pomiędzy inwerterami a panelami PV) oraz okablowanie AC – prądu zmiennego (pomiędzy inwerterami a stacją transformatorową),
• Stacje transformatorowe,
• Magazyny energii (opcjonalne),
• Dodatkowe urządzenia z zakresu monitorowania pracy instalacji oraz zapewniania bezpieczeństwa (kamery, alarmy, czujniki).

Opis urządzeń i procesu przesyłu energii

Inwerter zwany jest też falownikiem. Jest to urządzenie, które przetwarza prąd stały ze strony modułów fotowoltaicznych na prąd przemienny, czyli taki sam, jaki znajduje się np. w gniazdkach elektrycznych. Jest to więc serce całej instalacji, bo dzięki niemu energia słoneczna może być używana do zasilania urządzeń elektrycznych. Inwertery również zwiększają napięcie prądu stałego na wyższy poziom, aby zminimalizować straty energii w przewodach. Poza tym inwertery realizują jeszcze funkcje pomocnicze, takie jak pomiary parametrów pomagających zoptymalizować pracę farmy.

Rys. 3. Przykładowe inwertery zainstalowane na farmie PV

Farmy fotowoltaiczne wymagają też podłączenia do sieci elektroenergetycznej, a to odbywa się przez stacje transformatorowe. Można więc ją porównać do mostu łączącego farmę PV z siecią dystrybucyjną. Do stacji przesyłany jest prąd zmienny z inwerterów. Stacja transformatorowa znajduje się zazwyczaj w centralnym punkcie farmy fotowoltaicznej. W jej skład wchodzą transformator oraz inne urządzenia kontrolno-zabezpieczające. Transformator służy do przekształcania prądu zmiennego o wysokim napięciu na napięcie dopasowane do sieci elektroenergetycznej.

Podłączenie farmy fotowoltaicznej do sieci elektroenergetycznej odbywa się poprzez punkt podłączenia do sieci elektroenergetycznej (punkt podłączenia mocy, PPM). Znajduje się on w stacji transformatorowej. Przez odpowiednie okablowanie, po zmianie prądu ze stałego na zmienny oraz dostosowanie napięcia przez transformator, jest on przesyłany do PPM.

Wyróżnia się 4 rodzaje połączeń:

• Podłączenie typu jednopunktowego (single-point connection) – najprostszy sposób połączenia do jednego PPM, stosowany głównie w mniejszych farmach PV.
• Podłączenie typu wielopunktowego (multi-point connection) – stosowane w większych farmach z dużą ilością paneli; podłączenie za pomocą wielu PPM może jednak wymagać dodatkowych transformatorów i urządzeń kontrolno-zabezpieczających, czyli wiązać się z podwyższeniem kosztów dewelopmentu farmy.
• Podłączenie przez falownik centralny (central inverter connection) – stosowana w farmach, gdzie energia elektryczna zbiera się w jednym PPM podłączonym do centralnego falownika, skąd energia wędruje do stacji transformatorowej, a stamtąd do sieci elektroenergetycznej.
• Podłączenie przez falowniki rozproszone (string inverter connection) – każda grupa paneli posiada indywidualny inwerter, skąd przesyłana jest energia do stacji transformatorowej, a stamtąd do sieci elektroenergetycznej.

Magazyny energii z OZE

Coraz popularniejszym elementem farmy PV staje się magazyn energii. Jak sama jego nazwa wskazuje, jest to urządzenie służące do magazynowania wyprodukowanej przez farmę energii. Jest zbudowany z baterii litowo-jonowych, które magazynują i oddają prąd w odpowiednich reakcjach chemicznych. W gospodarstwach domowych czy farmach na potrzeby zakładów przemysłowych takie magazyny mają na celu umożliwienie zwiększenia autokonsumpcji prądu oraz zabezpieczenie dostępu do energii na wypadek przerw w jej dostawach.

Magazyny energii na farmach PV mają inne zastosowanie. Farmy takie cechują się niestabilnością generowanej energii, bo są zależne w pełni od warunków nasłonecznienia. Dynamiczne wahania poziomu generowanej energii mają zły wpływ na parametry działania sieci energetycznej. Magazyny energii są po to, aby stabilizować ich pracę. Magazyny energii mają na celu zabezpieczenie podaży energii w szczytach zapotrzebowania. Ładują się one w okresach poza szczytem, a w godzinach szczytu poboru mocy, czyli kiedy prąd jest najdroższy, rozładowują się przekazując energię do sieci.

Magazyn to koszt, ale pozwala zwiększyć zyski z farmy w długim terminie. Magazyn taki umożliwia elastyczne zarządzanie produkowaną i sprzedawaną energią, a dzięki temu osiąganie wyższych zysków. Magazyn daje możliwość kumulacji prądu w okresach najwyższej jego produkcji, np. w trakcie słonecznych dni, a sprzedaż w godzinach wieczornych, kiedy ceny prądu są wyższe. Bez magazyny energii, farma nie może zarządzać efektywnie ceną sprzedaży energii.

Łączenie wielkoskalowych komercyjnych farm PV z siecią elektroenergetyczną

Przykłady farm o mocy 1 czy kilku MW służą dobrze zaprezentowaniu wielu cech technicznych tego typu projektów, ale należy znacznie rozróżnić poziom koniecznej infrastruktury przy małych farmach od infrastruktury na wielkoskalowych farmach PV, gdzie moc się dziesiątek czy nawet setek MW. Wymagają one rozbudowanej infrastruktury energetycznej ze względu na powierzchnię jaką zajmują uzależnioną od ich mocy, jak również ukształtowania terenu w miejscach ich instalacji. Oznacza to wiele kilometrów kabli oraz wiele urządzeń do odbierania energii z paneli PV. Dlatego też w dużych farmach usprawnia się ich funkcjonowanie poprzez dzielenie na sektory, gdzie minimalna moc sektora to co najmniej 0,8 MW.  W zależności od skali projektu oraz rodzaju zastosowanych inwerterów, moc sektorów może urosnąć do 4 MW, a w największych farmach nawet do 6-7 MW.

W przypadku tego typu dużych farm PV różnica polega na sposobie przekazywania energii do  sieci elektroenergetycznej za pośrednictwem stacji sprzęgających wyposażonych w pomiar rozliczeniowy dla całej farmy, jak również automatykę kontrolno-zabezpieczeniową gwarantującą stabilność parametrów energii przesyłanej do sieci. Jak tłumaczy jeden z producentów infrastruktury energetycznej, spółka ZPUE:

„Ze względu na zainstalowane moce farm fotowoltaicznych, jak również zdolności przesyłowe sieci elektroenergetycznych, przy dużych mocach (np. powyżej 20 MW) oprócz opisanej powyżej infrastruktury, konieczne jest wybudowanie GPZ (głównego punktu zasilania), a w zasadzie przy tego typu instalacjach właściwsza będzie określenie GPO, czyli głównego punktu odbioru energii. W stacjach GPO napięcie podnoszone jest do np. 110 KV (wysokie napięcie) lub nawet większych wartości, dzięki czemu energia elektryczna wytworzona w instalacjach fotowoltaicznych może być transferowana na znaczne odległości poprzez sieci przesyłowe PSE.”

Główny punkt odbioru oraz główny punkt zasilania są kluczowymi elementami w infrastrukturze farm fotowoltaicznych, odgrywającymi istotną rolę w przetwarzaniu i dystrybucji energii elektrycznej. Konieczność wybudowania GPO może znacznie zwiększyć koszt inwestycji, od kilku do nawet kilkunastu mln PLN.

GPZ to węzeł w stacji elektroenergetycznej służący do zapewnienia dostaw i koordynacji procesu przepływu energii na określonym obszarze. Rozwój OZE powoduje, że funkcja stacji GPZ coraz częściej jest rozszerzana o odbiór energii.

GPO z kolei to obiekt odbierający energię elektryczną z jednostek wytwórczych, którymi najczęściej są źródła OZE (wiatr i fotowoltaika), a następnie wprowadzający ją do systemu dystrybucyjnego. Zazwyczaj jest to stacja z transformacją średniego napięcia (od 15 do 30 kV) na wyższe, zwykle 110 kV i przygotowana do sterowania, sygnalizacji i pomiarów w systemie zdalnego sterowania i nadzoru stacji.

Farmy fotowoltaiczne łączą się z siecią elektroenergetyczną poprzez główny punkt odbioru i główne punkty zasilania w sposób zapewniający stabilność, efektywność i bezpieczeństwo przepływu energii. Proces ten obejmuje kilka kluczowych kroków:

1. Generacja energii przez panele fotowoltaiczne: Panele słoneczne zamontowane na farmie fotowoltaicznej konwertują energię słoneczną na energię elektryczną w postaci prądu stałego (DC).
2. Przekształcenie prądu stałego na prąd zmienny: Przed przekazaniem do sieci elektroenergetycznej, prąd stały wytworzony przez panele fotowoltaiczne musi zostać przekształcony na prąd zmienny (AC) za pomocą falownika. Jest to niezbędny krok, ponieważ większość sieci elektroenergetycznych działa na zasadzie przesyłu energii w postaci prądu zmiennego.
3. Łączenie z GPO: Prąd zmienny produkowany przez farmę fotowoltaiczną jest przekazywany do głównego punktu odbioru, który jest zazwyczaj połączony z siecią elektroenergetyczną. W GPO energia elektryczna z farmy PV jest integrowana z ogólnym systemem elektroenergetycznym, co umożliwia dystrybucję energii do odbiorców końcowych.
4. Monitorowanie i regulacja w GPZ: Główne punkty zasilania pełnią kluczową rolę w monitorowaniu, regulacji i optymalizacji przepływu energii w farmie fotowoltaicznej. GPZ kontroluje ilość energii produkowanej przez poszczególne panele słoneczne oraz zapewnia równomierny przepływ energii do GPO. Dzięki temu możliwe jest utrzymanie stabilności i efektywności całego systemu.