Jak vybrat konstrukci pro fotovoltaické moduly? Dobře zvolená fotovoltaická struktura udržuje rovnováhu mezi cenou, výkonem a životností .

V této příručce budeme diskutovat o tématech, jako jsou:

• výběr výkonu fotovoltaické instalace,
• optimální sklon konstrukce FV,
• různé konfigurace fotovoltaických konstrukcí,
• výběr upevnění konstrukce k zemi,
• výběr materiálu , ze kterého je konstrukce vyrobena,
• posouzení kvality konstrukce.

Viz: dostupné možnosti pro pozemní fotovoltaické konstrukce

Tento článek nezahrnuje sledovací systémy, instalace s uspořádáním východ-západ nebo konstrukce s vertikálně namontovanými moduly pro agrofotovoltaiku.

Začněme diskusí o vašich potřebách.

Výběr výkonu fotovoltaické instalace

Vhodný výběr instalačního výkonu nabízí širokou škálu významných možností. Chybou je výběr výkonu zařízení na základě libovolných matematických předpokladů, jako je princip 1 kWp na 1000 kWh roční spotřeby energie. Není třeba se přehnaně obávat případných ztrát z „předimenzování“ instalace.

Ve většině evropských zemí a pro všechny fakturační systémy (kromě čistého měření) platí, že čím vyšší výkon fotovoltaiky, tím lepší . Pro roční spotřebu 40 000 kWh si můžete vybrat instalaci s výkonem 30, 40, 50, 60 nebo dokonce 70 kWp! Nebyla by to chyba. Proč?

• Větší instalace znamená nižší jednotkové náklady na každý kWp.
• Moduly ztratí za 25 let asi 10 % svého výkonu.
• Rozšíření instalace znamená značné dodatečné náklady.
• U všech modelů účtování (kromě čistého měření) přinášejí roční přebytky energie finanční výhody.
• Instalace se znečišťuje a ztrácí účinnost. Ekonomicky je lepší investovat do dalších modulů, než pravidelně utrácet peníze za jejich čištění. Za typických podmínek se zdá optimální čištění každých pět let.
• Neznáme nikoho, kdo by řekl „Mám příliš mnoho PV“. Známe mnoho lidí, kteří říkají: „Měl jsem si koupit více PV“.
• Spotřeba energie neustále roste. Vybudování „předimenzované“ instalace zohledňuje budoucí nárůst poptávky.

Proto doporučujeme zvolit co největší instalační výkon s ohledem na omezení, jako jsou:

• rozpočet
• volné místo
• napájení připojení

Matematicky přesné způsoby určení nejvhodnějšího výkonu instalace nejsou předmětem tohoto článku a nejsou zcela možné. Překonání mýtu o „předimenzovaných“ instalacích je však velmi důležité.

Klienti často nechávají na konstrukci prázdná místa, což není nákladově efektivní.

Sklon fotovoltaických modulů v menších instalacích

Pokud odhadujete, že k uspokojení vašich potřeb bude stačit méně než 50 kWp fotovoltaických modulů – máme dobrou zprávu! Instalace této velikosti lze realizovat v jedné řadě , takže se nemusíte obávat, že by jedna řada modulů vrhala stín na řadu za vámi. V takovém případě je výběr optimálního sklonu celkem jednoduchý.

Optimální sklon závisí na zeměpisné šířce a povětrnostních podmínkách charakteristických pro daný region. V Evropě se podle vědecké práce založené na satelitních datech pohybuje od 20° do 50°:

Optimální sklon fotovoltaických modulů v závislosti na regionu na základě dat ze dvou systémů. Vlevo máme PV-GIS, vpravo ECEM. Zdroj -  Yves-Marie Saint-Drenan, Přístup k odhadu agregované fotovoltaické energie generované v několika evropských zemích z meteorologických dat , ResearchGate .

Optimální úhly náklonu pro vybraná místa na základě výše uvedeného zdroje:

• Gdaňsk - 36°
• Sicílie - 33°
• Edinburgh - 40°

Sklon FV modulů a rozestupy mezi řadami u větších instalací

U větších instalací (obvykle nad 50 kWp, ale to závisí na dostupném montážním prostoru) je nutné naplánovat instalaci přes několik stojanů umístěných za sebou.

Tyto řady vrhají stíny , proto musí být umístěny v určité vzdálenosti od sebe. Čím větší je úhel náklonu modulů, tím větší je požadovaná vzdálenost. Naopak, čím větší vzdálenost, tím větší plochu instalace zabírá . Optimalizovaná instalace udržuje rovnováhu mezi těmito proměnnými.

Obr. Stín vržený řadami modulů ve velké instalaci:

Co lze udělat pro optimální využití plochy pozemku a snížení ztrát zastíněním?

Nejprve snižte náklon fotovoltaických modulů . Rozdíly v roční produkci nejsou příliš velké a toto snížení umožňuje zmenšit vzdálenost mezi řádky. Níže uvedená tabulka ukazuje příklad vztahu mezi úhlem náklonu, roční produkcí (bez zastínění) a požadovanou vzdáleností mezi řadami:

 Na základě knihy Bogusława Szymańského „Fotovoltaické instalace“

Jak ukazuje výše uvedený příklad, úhel sklonu, který maximalizuje roční produkci, výrazně zhoršuje využití prostoru. Zmenšení úhlu na 20° výrazně zkracuje vzdálenost a udržuje vysokou produktivitu.

Proto v praxi v zeměpisné šířce Francie, Německa a Polska úhly naklonění FV modulů nepřesahují 25°.

Jak nízké naklápění modulů, tak velké mezery mezi poli jsou vidět na následujícím videu z 10,4 MW fotovoltaické farmy v Estonsku

Výpočty vzdálenosti mezi moduly

Definováním účelové funkce jako nepřítomnosti stínění v poledne 22. prosince (tj. v den zimního slunovratu) lze vzdálenost mezi řadami vypočítat pomocí následujících vzorců:

Obr. Výpočty vzdálenosti mezi FV moduly

β - úhel sklonu FV modulů

α - úhel dopadu v nejméně slunečných dnech v roce.

• α = 90° - zeměpisná šířka - 23,45°

d - výška sloupku modulu

x - vzdálenost mezi koncem jednoho řádku a začátkem následujícího

• x = sin(β) × d / tg(α)

y - vzdálenost mezi řadami

• y = d × sin(180° - β - α) / sin(α)

Použití výše uvedeného vzorce umožňuje téměř úplné zamezení stínování. Nicméně zmenšení vzdálenosti mezi řadami může být prospěšné pro lepší prostorové využití. To je tím důležitější, čím severněji se instalace nachází. To znamená akceptovat určité výrobní ztráty . Technologie, které tyto ztráty omezují, jsou naštěstí na trhu již několik let.

Orientace a typ modulů

Fotovoltaické moduly jsou rozděleny do několika sekcí pomocí bypass diod . Hluboké zastínění způsobí odpojení celé sekce. To se provádí pro ochranu buněk.

Staré, přesto stále se vyskytující moduly s celými články byly zcela odpojeny, když byla jejich spodní část ve stínu. Horizontální montáž pomohla omezit ztráty. Současná generace fotovoltaických modulů (tzv. half-cut) rozděluje modul na 6 částečně nezávislých sekcí. Jsou uzpůsobeny pro vertikální i horizontální montáž.

Vztah mezi typem a orientací modulů a ztrátami stínění je popsán v grafu níže.

 
Na výkresu: Část modulu mimo použití z důvodu zastínění v závislosti na modulu a orientaci

A - celé články vertikálně - ztráty 100%

B - celé články horizontální ztráty 66%

C - poloviční horizontální ztráta 66 %

D - poloviční vertikální ztráta 50 %

Oválky označují obvody v modulu definované bočníkovými diodami. Červené ovály jsou okruhy vyřazené ze stínu.

Rozměry fotovoltaických panelů

Na trhu se setkáváme s většími i menšími fotovoltaickými moduly. Rozdíly mohou být poměrně značné. Volba větších (výkonnějších) modulů však zpravidla znamená nižší instalační náklady na jejich výkon (PLN/kWp).

Je třeba mít na paměti, že: 

• Větší moduly generují vyšší proud , což vyžaduje výběr vhodného měniče. Proud generovaný největšími moduly přesahuje možnosti menších střídačů, určených pro menší instalace. Pro instalace <10 kWp by měly být zvoleny menší fotovoltaické moduly.
• Větší moduly jsou méně odolné , což znamená, že by měly být nakupovány pouze od ověřených výrobců.

Konstrukce pro fotovoltaické panely - cena různých konfigurací

Standardní fotovoltaické konstrukce se dělí podle:

• počet  podpor

Jednonosné systémy jsou levnější, ale zároveň méně tuhé a stabilní. Neměly by být používány na zemi s nízkou únosností.

Jedna podpora	Dvě podpěry
Přízemní konstrukce T2V	Pozemní stavba N2V

• vertikální nebo horizontální uspořádání modulů
  Volba často závisí na estetických hlediscích. Náklady na stavbu jsou obdobné a u polořezaných modulů je instalace odolnější vůči zastínění bez ohledu na orientaci.

Vertikální rozložení	Horizontální rozložení
Zemní konstrukce N3V	Přízemní konstrukce N3H

• Počet řádků
  Počet řádků spolu s orientací ovlivňuje výšku sloupce modulu, což zase ovlivňuje výkon jedné instalační tabulky.

Jedna řada	Dvě řady
Pozemní konstrukce T1V	Pozemní konstrukce N2V
Tři řady	Čtyři řady
Základní struktura N3H	Pozemní struktura N4H

Jak vybrat materiál pro konstrukci

Konstrukce je vyrobena z nerezové oceli , hliníku a běžné konstrukční oceli potažené zinkem a hořčíkem.

Naším vlajkovým produktem v Altamiře jsou konstrukce z předpjatého betonu ( N2V-STR , N3V-STR , N3H-STR , N4H-STR , N5H-STR ), tedy kompozit podobný železobetonu, ale s tím rozdílem, že jsou namáhány ocelové pruty než se nalije beton. Sloupy z předpjatého betonu se zatloukají do země pomocí beranidla (který běžný beton nevydrží) a jsou k nim připevněny standardní konstrukční ocelové prvky.

Použití předpjatého betonu umožňuje optimalizaci investičních nákladů bez snížení užitných hodnot.

Konstrukční ocel	Předpjatý beton
Přízemní konstrukce N4H Záruka: Konstrukce z oceli S350 - 25 let Nátěr (Magnelis®) ZM430 - 25 let	Přízemní konstrukce N4H-STR Předpjatý beton je zhruba o 30 % levnější Záruka: Předpjatý beton a ocel S350 -30 let Nátěr (Magnelis®) ZM430 - 25 let

 Níže je video, které ukazuje, jak vypadá beranění konstrukcí z předpjatého betonu.

Jak sladit FV strukturu se substrátem

Existují tři hlavní způsoby upevnění konstrukce k podkladu.

Nejoblíbenější jsou pěchované systémy . Jsou cenově dostupné, jednoduché a rychle se instalují, dobře fungují tam, kde není bažinatá nebo nadměrně sypká půda.

Na podkladech s nižší nosností fungují šroubované profily lépe. Lze je použít tam, kde je potřeba vyšší odolnost proti extrakci.

Betonové základy se používají tam, kde je zemina bažinatá, velmi sypká nebo tam, kde hrozí kolize s podzemní infrastrukturou (dráty nebo potrubí).

Jak posuzovat kvalitu, tj. certifikáty a normy pro nosné konstrukce

Bezpečné použití zaručuje pouze konstrukce vyrobená v souladu s normami platnými v dané zemi. Někdy se zákazníci obávají, zda jsou produkty společnosti X nebo Y skutečně kvalitně vyrobené. Vytváření ocelových konstrukcí je naštěstí léty zdokonalené umění a mít příslušné certifikáty je pro investora  správnou pojistkou .

Seznam základních evropských certifikátů:

• Provádění ocelových a hliníkových konstrukcí:
  - EN 1090-1+A1 - Zásady posuzování shody konstrukčních prvků
  - EN 1090-2+A1 - Technické požadavky na ocelové konstrukce
  - EN 1090-3 - Technické požadavky na hliníkové konstrukce

• Zatížení konstrukcí:
  - EN 1991-1-3 - Zatížení sněhem
  - EN 1991-1-4 - Zatížení větrem

Národní ekvivalenty překládající evropské normy začínají odpovídajícím označením. Například polský ekvivalent EN 1090 je PN-EN 1090. Německý ekvivalent je DIN-EN 1090 a britský je BS-EN 1090.

Další certifikáty, použitelné pro některé konstrukce:

• EN 1992-1-1 - betonové a předpjaté betonové konstrukce
• EN 1993-1-1 - pravidla definující pevnost ocelových konstrukcí
• EN 1993-1-3 - doplněk pro profily a plechy
• EN 1993-1-5 - doplněk pro oplechované konstrukce

Odolnost proti korozi

Konstrukce používané v drsném prostředí by měly být testovány podle normy EN ISO 9227. 

Při řešení ocelových konstrukcí pokrytých ochranným nátěrem se posuzuje také korozní odolnost nátěru. Minimální třída korozivnosti pro fotovoltaické konstrukce je C3 podle EN ISO 12944-2. V oblastech s vyšším znečištěním ovzduší je třeba hledat výrobek s třídou odolnosti C4 a v případě velmi vysokého znečištění - C5.

Námi používaný povlak Magnelis® má třídu odolnosti proti korozi C5 .