Uvod
U članku se opisuje 2 tipske elektrane predviđene za proizvodnju električne energije za samopotrošnju, bez spremnika električne energije. Obje su trofazne i to snage 5 kW i 10 kW. Ove elektrane su opisane tako da investitor ili projektant može iz ovog prikaza izravno izraditi pripremu za projekt potrebne snage različite od ove dvije opisane! Imajući u vidu da se radi o proizvodnji električne energije koja će se u cijelosti upotrijebiti na lokaciji elektrane i da svrha elektrane nije predaja energije u mrežu, projektant se najprije upoznaje s potrošnjom energije na konkretnom priključnom mjestu. Potom određuje snagu fotonaponske elektrane tako da elektrana godišnje proizvodi manje energije nego što konkretno priključno mjesto preuzima energije prije priključenja elektrane, tj da se cijela proizvedena energija može lokalno upotrijebiti. Pri tome stalno vodi računa o detaljima trenutno važećih obračunskih pravila da se zadrži u kategoriji elektrane za samopotrošnju.To je danas najisplativiji pristup za investitora u Hrvatskoj.
Određivanje mogućnosti proizvodnje
Po spoznaji o potrošnji energije na konkretnom priključnom mjestu za određivanje snage mrežne elektrane prema slici 1 potrebno je provjeriti lokaciju.
Slika 2 prikazuje opće parametre ozračenja i potencijala proizvodnje električne energije u fotonaponskoj elektrani u Hrvatskoj. Slika prikazuje osunčanje i potencijal proizvodnje za dva slučaja: slučaj horizontalne plohe i optimalno nagnute plohe.
Preko javnog servisa PVGIS može se doći do preciznog uvida mogućnosti proizvodnje energije fotonaponske elektrane: https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html
Od podataka je potrebno samo poznavati; lokaciju, snagu elektrane, nagib i orijentaciju fotonaponskih. Sve ostalo PVGIS računa sam. Procjena godišnje proizvodnje je potrebna jer na njoj počiva ekonomska isplativost projekta.
Na slici 3 je pokazan rezultat slučajno odabrane lokacije u Zadru za snagu modula od 1 kWp uz optimalno nagnute i usmjerene module. PVGIS servis daje temeljni izvještaj u kojem nas posebno interesira proizvodnja po mjesecima, odnosno ukupna godišnja proizvodnja elektrane.
Slika 4 ukazuje na grubu, ali vrlo korisnu procjenu otklona proizvodnje za slučaj drugačijeg nagiba u usmjerenja modula. Za naglasiti je da svi proračuni i procjene vrijede samo za idealno osunčani modul, dakle bez i najmanje sjene. Uslijed i najmanje sjene proizvodnja energije se osjetno, osjetno smanjuje!
Osnovni dijelovi fotonaponskog mrežnog sustava
Na slici 5 prikazani su osnovni dijelovi fotonaponskog mrežnog sustava:
• fotonaponski modul
• montažni sustav
• kabel i spojenice za električno povezivanje modula
• elementi prenaponske zaštite
• izmjenjivač
• razdjelnik sa zaštitnom opremom za priključivanje na mrežu.
Fotonaponski modul
Na slici 6 prikazan je tipičan tehnički list fotonaponskog modula, a na slici 7 je opisano nazivlje koje se koristi vezano uz fotonaponske module.
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.
PVW10041 FN-Kabel 4² 100m crno/bijeli, jednožilni, EN CPR BETAflam
PVW10042 FN-Kabel 4² 100m crno/crveni, jednožilni, EN CPR BETAflam
PVW50041 FN-Kabel 4² 500m crno/bijeli, jednožilni, EN CPR BETAflam
PVW50042 FN-Kabel 4² 500m crno/crveni, jednožilni, EN CPR BETAflam
PVW10061 FN-Kabel 6² 100m crno/bijeli, jednožilni, EN CPR BETAflam
PVW10062 FN-Kabel 6² 100m crno/crveni, jednožilni, EN CPR BETAflam
PVW50061 FN-Kabel 6² 500m crno/bijeli, jednožilni, EN CPR BETAflam
PVW50062 FN-Kabel 6² 500m crno/crveni, jednožilni, EN CPR BETAflam
Vezanjem fotonaponskih modula u seriju dobiva se niz modula, odnosno „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 preporučuje uzeti za proračun -25 stupnjeva Celzijusa i pri toj temperaturi proračunati napon niza. Fotonaponski moduli se spajaju međusobno i s ostatkom sustava koristeći specijalne konektore tipa MC4. Konektore je obavezno stiskati odgovarajućim kliještima zbog potrebe za kvalitetnim i trajnim spojem, slika 9.
PVA11000: Spojnica MC4 muška, za kabel 4-6mm2, maks. promjer 5,5-9mm
PVA12000: Spojnica MC4 ženska, za kabel 4-6mm2, maks. promjer 5,5-9mm
PVA19000: Kliješta za krimpanje, za MC4, 2,5 – 6 mm2
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 na ravni krov
Pri smještaju / rasporedu modula na ravnom krovu kao prvi korak potrebno je proračunati razmak modula tako da se međusobno ne zasjenjuju. Treba uzeti razmak za sunce u podne za navedenu zemljopisnu širinu lokacije i za najpoloženiji položaj sunca u godini (ravnodnevice). Ne zaboraviti da je tako dobiveni razmak ispravan za sunce u podne na dan ravnodnevice pa bi se u praksi trebao uzeti svakako i veći razmak. Na slici 10 vidljiv primjer proračuna razmaka redova modula za optimalni nagib modula 35 stupnjeva. Projektant će predvidjeti potkonstrukciju koja će osigurati potreban nagib modula, a imajući u vidu zahtjevani optimalni nagib. U realnim slučajevima od proizvođača često nije moguće dobiti optimalni nagib jer standardni elementi najčešće ne pružaju mogućnost finog podešenja. Tada se uzima onaj nagib koji je na raspolaganju i ponovno se provjeri razmak modula zbog izbjegavanja zasjenjenja, kao i utjecaj promjene nagiba na proizvodnju energije!
Pri montaži na ravni krov osnovni zahtjev je da se prilikom montaže modula ne dira hidroizolacija ravnog krova – nije dozvoljeno bušenje provrta za sidrene vijke kroz hidroizolacijsku opnu. Rješenje je da se iziđe iz ravnog krova odgovarajućim podnožjem prije polaganja hidroizolacijske opne. Jedno moguće rješenje metalnog podnožja izrađeno od pocinčanih cijevi 100 x 100 x 5 mm prikazano je na slici 11. Umjesto postolja od cijevi moguće je izvesti postolje od betona. Rješenje podnožja nije u opsegu elektro-projekta FN elektrane i projektant FN elektrane se mora izboriti za konkretno rješenje podnožja s ostalim projektantima građevine.
Jednom kada je postavljeno podnožje kompatibilno s hidroizolacijom krova, tada se može primijeniti sustava „trokuta“. Sustav trokuta montira se na priređeno podnožje i obuhvaća: trokute, šinske nosače, spojnice šina, krajnje i međupričvrsnice modula, elemente za povezivanje trokuta i šinskih nosača, kao i elemente za povezivanje trokuta i podnožja, slika 11. Ako građevina dozvoljava tada je moguće podnožje izvesti betonskom gredom, isto na već završenu hidroizolaciju, slika 11. Također moguće je i samim podnožjem riješiti nagib modula bez trokuta, slika 11. I podnožje i sustav trokuta se moraju provjeriti da mogu izdržati vjetro i snježna opterećenja lokacije.
Moguće rješenje je i korištenje kadica za montažu modula na ravnom krovu, slika 12. 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, slika 12.
Punjenje kadica masom za opterećenje se mora proračunati. Jače će biti opterećene kadice prema rubovima FN polja i rubovima zgrade općenito. Prednost kadica je da se uopće ne dira hidroizolacija ravnog krova. 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.
Montaža na kosi krov
Za odabir elemenata za montažu modula na kosi krov potrebno je znati vrstu pokrova. Elementi sustava su na: https://www.schrack.hr/trgovina/fotonapon-pohrana-energije/fotonapon-montazni-sustav/montazni-sustav-varista.html?catId=3131317
Iz krova se izlazi odgovarajućom kukom, neke od njih su prikazane na slici 13. Kuke se pričvršćuju u konstrukciju krova vijcima. Na kuke se montiraju šine – nosači modula, a na šine se montiraju moduli pomoću pričvrsnica, slika 13.
Brza procjena nosača i pribora za montažu 40 modula: moduli su raspoređeni u 4 reda s 10 modula po redu.
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, Broj ženskih konektora = broj kabela = 8
(pretpostavka je da se svi međuspojevi mogu izvesti s izvodima modula!)
DC spojna kutija s odvodnikom prenapona
DC spojna kutija služi da po potrebi objedini nekoliko stringova i proslijedi zbirnu struju prema izmjenjivaču. Dodatno, ona ima u sebi odvodnik struje munje i prenapona, po potrebi DC osigurače i DC sklopku.
U kutiji se 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)=12,5kA).
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 priključuju 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, slika 14.
Dvije tipične DC spojne kutije prikazane su na slici 4.1:
PVP10001 FN Zaštita od munje (ožičena kutija), 1000VDC, za 1MPPT
PVP10002 FN Zaštita od munje (ožičena kutija), 1000VDC, za 2MPPT
Dok ima sunca ima i istosmjernog napona na ulazu u DC spojnu kutiju. DC spojna kutija stoga može imati u sebi i DC sklopku za odvajanje fotonaponskih modula od ostatka instalacije. Razdvajanje DC kruga do izmjenjivača provodi se ipak najčešće DC sklopkom u samom izmjenjivaču, pa se ona ne ponavlja u DC spojnoj kutiji! Takvo rješenje ima za posljedicu da visoki DC napon ( do 1000 V DC) prolazi kroz dio građevine sve do izmjenjivača.
DC spojna kutija mora biti spojena sa zajedničkim uzemljenjem objekta i to sa 16 mm2 vodičem. Isto tako i metalna potkonstrukcija modula mora biti uzemljena preko spajanja na lokalnu sabirnicu za izjednačenje potencijala. Kutija s prenaponskom 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 induciranja napona u njima, slika 14 dolje.
Za udaljenosti od DC spojne kutije do mjesta konkretne lokacije izmjenjivača veće od 20 m preporučuje se postaviti još jedna DC kutija ispred ulaza izmjenjivača, slika 15. U izmjenjivaču može postojati izvedena prenaponska zaštita ulaza, ali ona najčešće nije deklarirana u smislu klasa T1, T2 ili T3. Vrijednost ove dodatne kutije ispred izmjenjivača je daleko manja u usporedbi s mogućim zastojem elektrane zbog popravka izmjenjivača uslijed oštećenja od induciranog prenapona.
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.
Prema projektu izabiremo, slika 16 i slika 17:
-5 kW trofazni izmjenjivač PVI15030M: Izmj. Fronius Symo 5.0-3-M, 5kW, 3f, IP55, TL 2 MppTracker
-10 kW trofazni izmjenjivač PVI11030M: Izmj. Fronius Symo 10.0-3-M, 10kW, 3f, IP55, TL 2 MppTracker
Uparivanje izmjenjivača i modula
U postupku projektiranja uparuju se moduli i izmjenjivač. Pri uparivanju fotonaponskih modula s izmjenjivačem koristi se alat proizvođača Solar configurator 4.0: https://fronius.solarconfigurator.de/solar.configurator/quick.
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. Imajući ove osnovne principe u vidu alat je za 5 kW izmjenjivač odredio 2 niza po 9 modula, dakle 5,13 kWp snage fotonaponskih modula, dok je za 10 kWp izmjenjivač odredio dva niza po 18 modula. Svaki niz se priključuje na jedan MPPT ulaz. Alat potvrđuje i da nisu potrebni osigurači na MPPT ulazima izmjenjivača, slika 18. Na ovaj način može se proračunati potreban broj modula za bilo koji pretvarač!
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 zu 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. Tako se za 5 kW preporučuje C16 zaštitni prekidač, dok se analogijom za 10 kW preporučuje C32 zaštitni prekidač, slika 19.
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 odvodnika, 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 fotonaponska 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.
Zaključak
Opisane su dvije sunčane elektrane i njihovi glavni elementi. Vjerujemo da čitatelj ovog članka može iz ovoga sastaviti opremu bilo koje elektrane do 10 kW (ali po istom principu samo s jačim izmjenjivačem i elektranu veće snage) koja će imati ulogu da za investitora što brže povrati investiciju kroz proizvodnju upravo one energije koju može u svojoj građevini i upotrijebiti.
j.zdenkovic@schrack.com, j.radin@schrack.com, e.zeneral@schrack.com