Artykuły

Wprowadzenie

Dużym problemem w zakresie rozwoju branży PV w Polsce są możliwości techniczne polskich sieci energetycznych. Wg doniesień prasowych polscy operatorzy masowo odmawiają przyłączania do sieci energetycznych kolejnych farm słonecznych. Skala decyzji odmownych jest bardzo duża. Powodem są niewydolne sieci energetyczne, ale też prawdopodobnie rezerwacja dostępności dla morskich farm wiatrowych, które będą instalowane najwcześniej w 2026 r. To jednak bardzo duży hamulec dla rozwoju PV w Polsce [8][13].

Fundacja ClientEarth dla Ziemi opublikowała raport pt. „Sieci – wąskie gardło polskiej transformacji energetycznej”. Dokument wskazuje na problem, z jakim zmaga się nasze państwo w kontekście dążenia do transformacji energetycznej. Z opublikowanych danych wynika, że w ciągu 7 lat operatorzy sieci elektroenergetycznych w Polsce wydali ponad 6 tys. odmów przyłączenia. Ponadto w większości odmowy dotyczyły instalacji OZE, których łączna moc wynosi ok. 30 GW [14][15].

W ubiegłym roku w porównaniu z rokiem 2020 nastąpił wzrost liczby odmów aż o 70%. Skala odmów w 2021 roku to ok. 15 GW. Głównym powodem tego jest brak technicznych możliwości przyłączenia. Ujmując inaczej: brak wolnych mocy przyłączeniowych sieci.

Dla inwestora większy wolumen wytworzonej energii wiąże się z większym zyskiem z inwestycji w instalację PV. Z punktu widzenia sieci, duża liczba systemów PV instalowanych w kierunku południowym o optymalnym kącie nachylenia stanowi wyzwanie. Farmy PV w optymalnej konfiguracji dostarczają większość energii elektrycznej w godzinach południowych [8][17].

Ważnym kryterium staje się więc kryterium mocy przyłączeniowej oraz wielkości działki, którą do dyspozycji ma inwestor. W zakresie projektowania farm PV konstrukcje montażowe zostają tak zaprojektowane, aby z jednej strony wykorzystać optymalnie teren inwestora, ale również uzyskać jak najlepsze parametry z produkcji energii.

Trendy rozwojowe w zakresie systemów montażowych pozwalających zwiększać moc przyłączeniową z dostępnej powierzchni

Współczesne konstrukcje wolnostojące dla wielkopowierzchniowych instalacji PV na gruncie mogą być montowane do podłoża poprzez wbijanie słupów w grunt, kotwienie do płyt lub fundamentów betonowych, wkręcane lub zalewane betonem.

Współczesne wytyczne podają różne wartości w zakresie wymaganej wielkości działki pod instalację 1MWp. Przyjmuje się, że pod budowę farmy fotowoltaicznej o mocy 1MWp potrzebny jest teren o powierzchni około 2 ha. Należy jednak uwzględniać zmienność wielkości terenu w stosunku do posadowienia na nim farm o takich samych mocach. Jest to dyktowane rodzajem i sprawnością modułów PV, jakie mają zostać zainstalowane, a także kątem ich nachylenia względem powierzchni terenu.

O ile największe uzyski energii elektrycznej z fotowoltaiki na statycznych konstrukcjach zapewniają panele ustawione w kierunku południowym, o tyle swoje zalety ma również ustawianie paneli w orientacji wschód-zachód i jak wynika z najnowszego raportu Fraunhofer ISE – takie ustawienie zyskuje coraz większą popularność na największym rynku fotowoltaicznym w Europie, czyli w Niemczech [5][6][12].

Udział instalacji z tradycyjnym południowym ustawieniem zmniejszył się z poziomu 61 proc. w roku 2000 do 42 proc. w roku 2019. W tym samym okresie udział systemów z panelami ukierunkowanymi na wschód wzrósł z 1 proc. do 7 proc., udział systemów z panelami ustawionymi na zachód zwiększył się z 3 proc. do 9 proc., natomiast udział systemów z ustawieniem wschód-zachód to wzrost od 1 proc. do 6 proc [12].

Jednocześnie widać tendencję zmniejszania kąta, pod którym ustawiane są panele. Badanie Fraunhofera pokazuje, że w wybudowanych w ubiegłym roku elektrowniach PV moduły były w 1/5 instalacji ustawiane pod kątem niższym niż 20 stopni.

Udział instalacji z ustawionymi w ten sposób panelami w latach 2000-2009 wynosił około 10 proc., natomiast średnia z lat 2010-2019 wyniosła już 19 proc. Z kolei udział instalacji z panelami ustawionymi pod kątem 20-40 stopni wynosił w okresie 2000-2009 przeciętnie 63 proc., a w latach 2010-2019 było to średnio 54 % [4][5].

Moduły PV, które znajdują się na wschód-zachód, mogą zmieścić się w większej liczbie rzędów i paneli – a zatem mają większą zdolność generacyjną – niż odpowiadające im moduły zorientowane na południe lub północ. Wybór określonego systemu montażowego może mieć różne podłoża i kryteria. Przykładem może być instalacja przedstawiona poniżej. Wg danych internetowych inwestor zdecydował się na taki rodzaj konstrukcji w systemie wschód-zachód ze względu duży koszt działki jak również niekorzystny kształt dla budowy typowo południowej. Dzięki optymalnemu ustawieniu paneli w orientacji wschód-zachód udało się zmieścić 750kw na działce o powierzchni 0,8ha (w przeliczeniu na 1MW = 0,95ha). Prognozuje się uzyskać z rocznej produkcji instalacji fotowoltaicznej wartość energii 850MWh [4][5][10][11].

System montażowy został zatem dobrany niestandardowo wg wytycznych konstrukcyjnych dla branży PV. Konstrukcja została zaprojektowana w tym przypadku w taki sposób, aby
z jednej strony wykorzystać optymalnie teren inwestora, ale również uzyskać jak najlepsze parametry z produkcji energii.

Wydaje się ze trend w tego typu postępowaniu będzie w sporym zakresie inwestycji kontynuowany. Następnym przykładem jest farma PV wykonana dla firmy Synthos. Składa się ona 2500 paneli fotowoltaicznych marki Jinko Solar, której jednostkowa moc wynosi 400 Wp. Energia produkowana przez panele jest przetwarzana przez 15 falowników Huawei SUN2000-60KTL-M0. Panele fotowoltaiczne ustawiono na nietypowych jak dla naziemnych farm PV konstrukcjach balastowych, mieszczących po jednym rzędzie ustawionych w orientacji poziomej paneli – w przeciwieństwie do standardowych na naszym rynku PV konstrukcji w których na pojedynczej konstrukcji ustawianych jest po kilka rzędów paneli.

Wykonawca – firma Rawicom zdecydowała się na wybór tego typu konstrukcji AERO balastowej ze względu na ograniczoną powierzchnię i chęć zainstalowania na niej jak największej mocy. Cała farma PV zajmuje powierzchnię 1 ha.

Optymalizacja systemów montażowych w zakresie dostosowania się do sieci elektroenergetycznej

Wiadomo że przy coraz większym nasyceniu PV w systemie energetycznym w Polsce, godzinowe ceny energii będą wyzwaniem dla inwestorów. Innym możliwym wariantem mogą być konstrukcje ze zmiennymi kątami zamiast inwestycji w bardzo drogie magazyny energii. Cena konstrukcji ze zmiennymi kątami 15° 30° 45° jest wyższa tylko o ok 80 tyś zł na 1MW, taki sam efekt można również uzyskać poprzez zakup magazynu energii o pojemności 1,5MWh a to już kosztuje ok 2 mln zł. Zmiana kątów konstrukcji na 1MW zajmuje 2 dniówki dla 2 osób, można to wykonać za kilka lat jak zmienią się ceny godzinowe które mogą znacznie obniżyć dochód ze sprzedaży energii. Układ wschód zachód 1,3 MW na 1ha gruntu.
Zwiększenie kątów w modułach BifacialMAX (zagadnienie przedstawiono na rysunku 5) na dedykowanej konstrukcji, wcale nie musi oznaczać mniejszej produkcji KWh z 1MWp, ponieważ zwiększenie kątów powiększa przerwy doświetlające grunt przez co uzyskujemy zdecydowanie większą produkcję tylnej strony modułów dwustronnych.

Innym przykładem takiego działania może być opracowana i opatentowana przez konstruktorów firmy Next2Sun konstrukcja wykorzystania modułów dwustronnych ustawianych pionowo w orientacji wschód-zachód zapewni znacznie większą produktywność energii w porze porannej i popołudniowej, co umożliwia inwestorom skorzystanie z wyższych cen energii notowanych w tym czasie na giełdzie (gdy w środku dnia ceny będzie obniżać rosnąca generacja z fotowoltaiki konwencjonalnej), co w połączeniu ze zwiększoną produktywnością zapewni wyższe zyski nawet o 25% w stosunku do tradycyjnych instalacji PV. Dodatkowym aspektem jest tutaj fakt iż koncepcja wykorzystania modułów dwustronnych ustawianych prostopadle do podłoża w rzędach w odległości 8-13 metrów nadal umożliwia użytkowanie gruntu do celów rolniczych. Panele zajmują jedynie ok.1% przeznaczonej do ich montażu powierzchni pola. Przestrzenie te pozwalają na zastosowanie konwencjonalnych maszyn rolniczych, co gwarantuje efektywne zarządzanie pracą w terenie, np. mechaniczne koszenie łąk przy użyciu ciągnika [18].

Podsumowanie

Właścicielom farm fotowoltaicznych zależy, aby uzyskać maksymalny uzysk energii elektrycznej z farmy fotowoltaicznej. Jednakże taka strategia sprawia, że fotowoltaika dostarcza dużą ilość energii tylko w ciągu kilku godzin w ciągu dnia. Powoduje to często przekraczanie w krótkim okresie czasu wartości mocy przyłączeniowej. Coraz częściej poszukiwane są rozwiązania mające na celu spłaszczenie wykresu produkcji przy jednoczesnym braku konieczności zastosowania drogich magazynów energii.

W podsumowaniu można stwierdzić, że poza systemami magazynowania energii iw magazynach możliwe jest również działanie optymalizujące z wykorzystaniem specjalne do tego zaprojektowanych systemów montażowych.