Artykuły

Wprowadzenie

Coraz więcej sceptyków negujących istnienie globalnego ocieplenia klimatu zaczyna dostrzegać notowane co rusz rekordy średnich dobowych temperatur powietrza i ich odchylenia od normy. Wywołuje to pozytywne zmiany w politykach klimatycznych i energetycznych wielu krajów (nawet tak skoncentrowanych do tej pory na wytwarzaniu energii elektrycznej z węgla jak Polska) oraz wynikającą z nich transformację energetyczną. Słysząc ten popularny w ostatnich latach termin, przychodzą nam do głowy magazyny energii, zielony wodór oraz przede wszystkim odnawialne źródła energii. Każdy z tych segmentów notuje sukcesywne postępy technologiczne, począwszy od innowacyjnych metod wytwarzania wodoru, przez magazyny energii o coraz większych pojemnościach i skróconym czasie ładowania, po innowacje w odnawialnych źródłach energii, takich jak fotowoltaiczne ogniwa perowskitowe oraz w najbardziej popularnych ogniwach na bazie krzemu krystalicznego, w których naukowcy i producenci ścigają się bijąc rekordy ich sprawności. Należy jednak pamiętać, że dla klasycznych ogniw krzemowych istnieje limit sprawności konwersji słonecznej, czyli tzw. granica Shockley’a-Queisser’a oscylująca w okolicach 30%, do których nowoczesne moduły coraz bardziej się zbliżają. Odpowiedzią na ograniczoną zdolność produkcji energii elektrycznej przez „zwykłe” ogniwa krzemowe mogą być tzw. ogniwa tandemowe oparte o krzem i perowskity. Są to jednak działania, którym należy poświęcić zarówno bardzo dużo pieniędzy jak i przede wszystkim czasu, którego nie mamy chcąc realizować ambitne cele wynikające m.in. z pakietu Fit for 55. Zmiany klimatu wymagają szybkich i skutecznych działań opartych o najlepsze możliwe dostępne tu i teraz technologie, a tych również nie brakuje. W niniejszym artykule skupiono się na działaniu relatywnie prostym, niedrogim i przede wszystkim możliwym do implementowania w realizowanych codziennie inwestycjach fotowoltaicznych. Mowa tu o trackerach fotowoltaicznych, które przy niewiele wyższym koszcie inwestycji potrafią spłacić te nakłady dzięki znacząco wyższej produkcji energii niż w klasycznych instalacjach gruntowych.

Czym jest tracker?

Tracker fotowoltaiczny to typ konstrukcji pozwalający na podążanie za słońcem zainstalowanej na nim instalacji fotowoltaicznej celem zwiększenia efektywności rocznego uzysku do około 30% w porównaniu do nieruchomych konstrukcji wolnostojących. System ten wyposażony jest w jednostkę centralną, kontrolującą pracę trackera oraz stację pogodową, która mierzy siłę, kierunek wiatru oraz stopień zachmurzenia. Po przekroczeniu wartości krytycznych system wymusza automatyczne ustawienie paneli w preferowanej pozycji bezpiecznej lub w przypadku dużego zachmurzenia, ustawia moduły w najbardziej optymalnym dla uzysków energii położeniu. System nadążny wyposażony jest również w czujniki opadu śniegu lub deszczu. W momencie wykrycia intensywnego opadu, trackery przechodzą w tryb automatycznego odśnieżania/czyszczenia paneli i ustawiają konstrukcje pod kątem, umożliwiającym zsunięcie śniegu lub czyszczenie konstrukcji. Mimo iż znany dłużej w branży fotowoltaicznej, tracker wciąż nie jest powszechny i nadal traktowany jako nowość.

Klasyfikacja trackerów

Na rynku wyróżnić można przede wszystkim dwa typy trackerów klasyfikowane ze względu na ilość osi obrotu:

1) Jednoosiowe, które obracają moduły fotowoltaiczne wokół jednej osi, zazwyczaj ze wschodu na zachód i przeważnie wykorzystywane są na wielkopowierzchniowych farmach fotowoltaicznych. Posiadają tylko jedną oś obrotu, więc wymagają do zasilania mniejszej ilości energii w porównaniu do trackerów dwuosiowych, a także złożoność systemu jest mniejsza, co powoduje, iż ryzyko awarii jest niższe niż w przypadku dwuosiowych.

2) Dwuosiowe, które obracają panele słoneczne zarówno wokół osi poziomej, jak i pionowej, umożliwiając bardziej precyzyjne ich pozycjonowanie w celu wychwytywania światła słonecznego pod różnymi kątami w ciągu dnia. Trackery dwuosiowe są co prawda bardziej złożone technicznie, ale wynagradzają to wyższą wydajnością energetyczną.

Rys. 1 Tracker jednoosiowy firmy Energy5 [1]

Ponadto w literaturze odnaleźć można także klasyfikację ze względu na technologię śledzenia słońca, gdzie możemy wyróżnić podział na metodę aktywną i pasywną. Systemy pasywne są przeznaczone do śledzenia słońca bez użycia żadnych urządzeń elektronicznych. Mogą wykorzystywać płyny, które rozszerzają się pod wpływem wzrostu temperatury wynikającej z padającego na nie promieniowania słonecznego. Płyny te znajdują się w cylindrycznych pojemnikach połączonych ze sobą – tak jak przedstawiono to na rysunku 2. Gdy jeden z płynów zaabsorbuje ciepło, rozszerzy się powodując ruch panelu w kierunku Słońca, a nocą wraca do właściwej pozycji, aby o wschodzie zacząć powtarzać cykl.

Pasywne systemy śledzenia energii słonecznej są stosunkowo łatwe do wdrażania, ponieważ składają się z mniej skomplikowanych konstrukcji i nie wymagają nadmiernej konserwacji. Jednakże charakteryzują się niższym uzyskiem energii w porównaniu do systemów aktywnych ze względu na ich niską dokładność śledzenia. Dodatkowo wadą tych urządzeń jest brak możliwości zastosowania w regionach o chłodniejszym klimacie, gdyż do efektywnego działania wymagają dostatecznej ilości ciepła [2].

Rys. 2 Pasywny tracker słoneczny wykorzystujący cylindryczne rurki wypełnione płynem [2]

Aktywne trackery fotowoltaiczne wykorzystują silniki elektryczne lub mechanizmy przekładniowe. Mogą stosować mikroprocesory i czujniki światła (fotorezystrory), algorytmy oparte na dacie i czasie lub kombinację obu typów, aby efektywnie dostosować położenie paneli do padających promieni słonecznych. Urządzenia te w odróżnieniu od pasywnych trackerów słonecznych, zużywają energię do zapewnienia swojej pracy, choć wynagradzają to większym uzyskiem energii.

Chociaż trackery mogą zwiększyć produkcję energii, wiążą się też z wyższymi kosztami początkowymi i wydatkami na konserwację w porównaniu z konstrukcjami stacjonarnymi. Systemy nadążne wymagają przeglądów okresowych, aby zapewnić ich prawidłowe działanie. Obejmuje to m.in. sprawdzenie amortyzatorów, łożysk i działania elektroniki. Decyzja o zastosowaniu trackerów słonecznych powinna opierać się na dokładnej analizie kosztów i korzyści, biorąc pod uwagę takie czynniki jak produkcja energii, lokalizacja, koszty instalacji i prognoza cen energii.

Co przemawia za montażem trackerów?

W związku z falą odmownych warunków przyłączenia wydawanych dla farm fotowoltaicznych, inwestorzy starają się optymalizować produkcję energii elektrycznej w różnoraki sposób, chociażby stosując moduły dwustronne, które przede wszystkim charakteryzują się wyższą produkcją w stosunku do klasycznych odpowiedników, ale także są bardziej odporne na warunki zewnętrzne, ponieważ z obu stron pokryte są szkłem. Dodatkowo instalując je na trackerach solarnych jesteśmy w stanie zwiększyć uzysk, co jest szczególnie korzystne w regionach o dużym nasłonecznieniu, gdzie istotna jest maksymalizacja wychwytywania energii.

Rys. 3 Charakterystyka pracy trackera Energy5 w porze letniej [3]

Powyższy wykres przedstawia typowy dzień pracy systemu nadążnego. Jak łatwo zauważyć, wykres pracy trackera jest zgoła inny niż  klasycznej instalacji fotowoltaicznej skierowanej na południe, której optymalna charakterystyka przypomina parabolę. Powoduje to lepsze zagospodarowanie promieniowania słonecznego, a tym samym dużo wyższe uzyski. Trackery pozwalają zwiększać produkcję w godzinach, w których klasyczne, nieruchome, wolnostojące instalacje gruntowe dopiero rozpoczynają swoją pracę lub ją kończą, a są to szczególnie newralgiczne momenty w trakcie doby. Jak to jest istotne zauważył w 2012 r.  Kalifornijski Niezależny Operator Systemu wprowadzając do obiegu termin „Krzywa kaczki”.

 Rys. 4 Krzywa kaczki [4]

Krzywa prezentowana na wykresie nazwana została od podobieństwa do znanego wszystkim ptaka – obrazuje nierównowagę czasową między zapotrzebowaniem szczytowym, a produkcją energii odnawialnej. Problemem stał się fakt, że w godzinach południowych, czyli w momencie, gdy instalacja fotowoltaiczna wytwarza największą ilość energii, zapotrzebowanie na nią jest zdecydowanie mniejsze niż rano, w godzinach popołudniowych i wieczornych. Wynika to przede wszystkim z faktu, że w południe większość osób jest w pracy lub szkole, a co za tym idzie nie zużywa energii elektrycznej w domu. Zużycie prądu gwałtownie rośnie natomiast popołudniu, kiedy wszyscy wracają do domu. O tej porze dnia spada jednak wydajność instalacji fotowoltaicznej, która ze względu na wysokość położenia słońca jest w stanie wyprodukować znacznie mniejszą ilość energii elektrycznej niż w południe. „Krzywa kaczki” podkreśliła wyzwania związane z rosnącymi zasobami energii słonecznej, które spowodowały, że popyt został zmniejszony w ciągu dnia (brzuch kaczki) i gwałtownie wzrósł o zachodzie słońca (szyja kaczki). Trackery fotowoltaiczne mogą być więc remedium na ten nasilający się problem, ponieważ zarówno rozpoczynają pracę szybciej oraz kończą ją później w stosunku do tradycyjnych instalacji. Dodatkowo ustawiając się przez cały czas prostopadle do padających promieni słonecznych, gwarantują optymalną dla danego momentu produkcję energii elektrycznej.

Czy trackery posiadają wady?

Należy pamiętać, że instalowanie modułów fotowoltaicznych na trackerach słonecznych wiąże się również z potencjalnymi wadami, tj.:

- wyższe koszty inwestycyjne (tzw. CAPEX) - trackery są droższe w instalacji i utrzymaniu niż stałe układy paneli słonecznych. Aby określić ogólną opłacalność, należy porównać dodatkowy koszt technologii śledzenia z oczekiwanym wzrostem produkcji energii.

- wymagania dotyczące konserwacji - trackery wymagają regularnej konserwacji, aby zapewnić ich prawidłowe działanie. Obejmuje to czyszczenie, smarowanie i monitorowanie systemu śledzenia. Koszty operacyjne, czyli tzw. OPEX należy uwzględnić w procesie decyzyjnym.

- złożoność - trackery są bardziej złożone niż stacjonarne instalacje, co oznacza, że istnieje więcej elementów, które mogą potencjalnie działać nieprawidłowo. Ta złożoność może zwiększyć potrzebę konserwacji i rozwiązywania problemów. Niekiedy wystarczy zdalne zresetowanie systemu, ale przestoje mogą być również spowodowane usterkami wałów napędowych, uszkodzonymi czujnikami i zardzewiałymi silnikami na skutek przedostawania się wilgoci przez pęknięte uszczelki.

- lokalizacja i klimat - przydatność trackerów słonecznych zależy od konkretnej lokalizacji i warunków klimatycznych. Na obszarach o częstym zachmurzeniu, silnym wietrze lub ekstremalnych warunkach pogodowych korzyści płynące z technologii śledzenia mogą być mniej wyraźne.

Podsumowanie

Podsumowując, trackery słoneczne to technologia wykorzystywana do optymalizacji wydajności i wytwarzania energii przez panele fotowoltaiczne poprzez ciągłe dostosowywanie ich orientacji w celu śledzenia pozycji słońca na niebie. Instalacja modułów fotowoltaicznych na trackerach słonecznych może być opłacalną inwestycją w sytuacjach, gdy maksymalizacja produkcji energii i efektywność są głównymi priorytetami oraz gdy koszty i wymagania konserwacyjne można uzasadnić zwiększonymi uzyskami energii. Instalowanie systemów nadążnych charakteryzuje się także lepszą ekonomiką przedsięwzięcia, ponieważ w porównaniu do swoich klasycznych odpowiedników produkują znacznie więcej energii zarówno w szczycie porannym jak i szczycie popołudniowym kiedy godzinowe ceny energii są najwyższe. Przy podejmowaniu decyzji o zastosowaniu trackerów słonecznych w systemie fotowoltaicznym niezbędna jest jednak w każdym przypadku dokładna identyfikacja potencjalnego ryzyka, rozważenie ograniczeń związanych z lokalizacją, klimatem i budżetem oraz prognozowanie cen na rynku energii.