Spis treści

1.      Energetyka solarna. 1

2.      Zasada działania paneli fotowoltaicznych. 1

3.      Elementy składowe instalacji fotowoltaicznych. 2

4.      Monitoring systemów solarnych. 3

1.      Energetyka solarna

Większość światowej energii produkowana jest z paliw kopalnych. Efektem tego działania jest zużywanie zasobów nieodnawialnych, które doprowadza do wzrostu ich cen wraz ze stopniem zużycia oraz produkcją substancji toksycznych, które negatywnie wpływają na nasze środowisko. Z uwagi na to naukowcy zaczęli zastanawiać się jak wykorzystać źródła odnawialne w takim stopniu, by pozwalały one na ograniczenie emisji oraz były efektywne. Jednym z pierwszych rozpatrywanych źródeł stało się Słońce. Nie bez przyczyny. Centralna gwiazda Układu Słonecznego w ciągu 4 dni jest w stanie dostarczyć tyle energii, ile wszystkie paliwa kopalne na Ziemi spalone ze stuprocentową sprawnością. Problemem jest rozproszenie tej energii.

W wyniku prac nad pozyskiwaniem energii słonecznej powstała koncepcja paneli fotowoltaicznych. Plusem tej technologii jest łatwa skalowalność, dość prosta konstrukcja oraz brak elementów mechanicznych, które mogłyby podnosić awaryjność i koszty serwisu.

Nieprzewidywalność zjawisk pogodowych oraz ilość elementów układów solarnych wpływa na konieczność ich monitoringu. Poprawia to nie tylko bezpieczeństwo systemu, ale zapewnia także informacje w czasie rzeczywistym na temat stanu pracy układu i pozwala prognozować przyszłe stany.

2.      Zasada działania paneli fotowoltaicznych

Sama konstrukcja panelu to tafla szkła pokryta cienką warstwą półprzewodnika. To właśnie półprzewodnik odgrywa kluczową rolę w całym procesie wytwarzania energii elektrycznej. Materiałem najczęściej stosowanym w ogniwach jest krzem, german lub selen. Wierzchnia warstwa paneli jest półprzewodnikiem domieszkowanym ujemnie (zawiera nadmiar elektronów w ostatniej warstwie). Odwrotna sytuacja zachodzi w dolnej warstwie domieszkowanej dodatnio, gdzie występuje niedobór elektronów. Połączenie tych dwóch warstw skutkuje powstaniem złącza p-n, którego schemat widzimy poniżej.

W sytuacji, gdy nie jest przyłożona żadne zewnętrzne pole elektryczne, czyli w stanie równowagi nośniki swobodne przemieszczają się (nadmiarowe elektrony wędrują z obszaru n do p, natomiast dziury z obszaru p do n). Dzieje się tak do momentu, w którym wytworzony ładunek dodatni po stronie n oraz ładunek ujemny po stronie p zapobiegają dalszej migracji elektronów oraz dziur. W wyniku powyższej reakcji na styku dwóch półprzewodników tworzy się warstwa zaporowa.

W momencie, w którym oświetlamy górną warstwę półprzewodnika znajdującego się w wierzchniej warstwie, czyli nasze złącze n fotony zostają pochłonięte doprowadzając do wybicia elektronów walencyjnych domieszki donorowej. Prowadzi to powstawania wolnych elektronów w warstwie n. Jednocześnie w warstwie p proporcjonalnie zwiększa się ilość atomów z dziurami. Podobnie jak w przypadku tworzenia złącza p-n elektrony oraz dziury dążą do przywrócenia stanu równowagi. Uniemożliwia im to pasmo zaporowe. W takim wypadku w momencie podłączenia do elektrod p oraz n obciążenia powoduje zamknięcie obwodu oraz uporządkowany przepływ wolnych elektronów w stronę ładunku dodatniego. Taki uporządkowany ruch elektronów nazywamy prądem. Natężenie prądu jest wprost proporcjonalne do natężenia promieniowania oraz powierzchni panelu.

Obecnie na rynku znajdziemy kilka typów paneli fotowoltaicznych, z których warto wyróżnić:

·        Ogniwa monokrystaliczne – zbudowane z silnie uporządkowanego strukturalnie krzemu. Posiadają obecnie najwyższą sprawność w granicach 16-21%

·        Ogniwa polikrystaliczne – zbudowane z mniej uporządkowanego strukturalnie krzemu, co wpływa na sprawność w granicach 13-16%

·        Ogniwa amorficzne – najsłabiej uporządkowany strukturalnie krzem ze sprawnością 8-13%.

Sama sprawność ogniw też nie jest stała w czasie i spada o około 2% w dwóch pierwszych latach użytkowania oraz 0,5% w latach kolejnych. Zaletą tego typu rozwiązań jest brak mechanicznych części układu, które mogłyby cechować się większą awaryjnością i degradacją w czasie użytkowania.

3.      Elementy składowe instalacji fotowoltaicznych

Instalacje fotowoltaiczne, to nie tylko ogniwa. W skład profesjonalnych instalacji wchodzą także:

·        Falownik – ze względu na niedopasowanie napięcia generowanego przez panele fotowoltaiczne do napięcia sieciowego w układach należy stosować falowniki pozwalające na połączenie tych dwóch obwodów. Generowane napięcie zmienia się wraz z natężeniem słonecznym przeliczanym na metr kwadratowy powierzchni dlatego urządzenia dedykowane do instalacji fotowoltaicznych potrafią dynamicznie zmieniać prąd oraz napięcie modułów by uzyskać ich maksymalną wydajność. Dodatkową zaletą falowników jest zbieranie danych na temat pozyskiwanej energii, parametrów sieci elektrycznej pozwalających na dalszą analizę i alarmowanie.

·        Rozdzielnica prądu stałego – pozwala na zabezpieczenie instalacji fotowoltaicznej od strony napięcia stałego od przepięć oraz zjawisk nadmiarowo-prądowych. Ustrzega przed wyładowaniami atmosferycznymi oraz wzrostem napięcia przy spadku temperatury ogniw.

·        Stacje pogodowe – nie jest to element niezbędny, ale w połączeniu z oprogramowaniem do analizy i predykcji pozwala na sprawdzenie korelacji warunków pogodowych z aktualną wydajnością oraz predykcję generowanej energii zgodnie z aktualnymi prognozami.

·        Licznik dwukierunkowy – element spotykany w instalacjach domowych, gdzie w przypadku instalacji fotowoltaicznych użytkownik nie musi być bezpośrednim odbiorcą energii, a może ją również oddawać do ogólnej sieci elektrycznej odbierając ją w momencie, gdy jest mu ona potrzebna.

·        Router przemysłowy – element będący połączeniem komputera oraz urządzenia transmisyjnego pozwalający na lokalny oraz zdalny (sieć LTE) monitoring systemu, analizę oraz wizualizację danych, sprawdzenie poprawności działania wyżej wymienionych urządzeń peryferyjnych.

4.      Monitoring systemów solarnych

Głównymi zaletami monitoringu z wykorzystaniem routerów jest:

·        Alarmowanie – urządzenia na bieżąco monitorują parametry pracy układu wraz z wszystkimi urządzeniami peryferyjnymi pozwalając na natychmiastowe wychwycenie stanów nieprawidłowych i niezwłoczną informację alarmową do użytkownika. Połączenie peryferiów nie sprawia problemu ze względu na możliwość komunikacji dowolną drogą (RS-232, RS-485, Ethernet, Wi-Fi, LTE oraz wbudowanymi portami I/O). Dodatki komunikacyjne pozwalają na zastosowanie dowolnych protokołów takich jak m.in. Modbus/TCP, Modbus/RTU, M-Bus, DNP, IEC-101, IEC-104 oraz ich translację.

Rys. Zbieranie danych przez RS-485 oraz udostępnienie do zdalnego serwera SCADA.

·        Analiza danych – obecne w urządzeniach oprogramowanie Node-RED pozwala na łatwe pozyskiwanie danych z wykorzystaniem mechanizmu „przeciągnij-i-upuść”. Pozyskane dane mogę być udostępnione z wykorzystaniem sieci Ethernet, LTE lub przekonwertowane poprzez algorytmy i skorelowane z innymi danymi takimi jak pogoda, parametry nasłonecznienia itp.

Rys. Zbieranie oraz konwersja danych z urządzeń peryferyjnych w oprogramowaniu Node-RED.

·        Wizualizacja – najwygodniejszą formą analizy danych są wykresy. Node-RED pozwala na wizualizację danych w formie czytelnych kontrolek oraz wykresów. Połączenie informacji lokalnych z tymi zbieranymi z zewnętrznych serwerów (np. pogoda) pozwala na czytelniejszą prezentację.

Rys. Wizualizacja danych na temat pracy sieci w środowisku Node-RED.

·        Bezpieczeństwo – wbudowane szyfrowanie oraz możliwość wykorzystywania połączenia VPN pozwala na bezpieczne wysyłanie danych do centralnego serwera w przypadku, gdy mamy do czynienia z centralnie zarządzaną rozproszoną siecią farm fotowoltaicznych.

Rys. Interfejs do zarządzania połączeniami VPN.

·        Redundancja – dwie karty SIM zabezpieczają użytkownika przed awarią lokalnej sieci LAN, brak pakietu jednego z operatorów lub tymczasowe zaniki sieci komórkowej.