Jak wybrać konstrukcję pod moduły fotowoltaiczne? Dobrze dobrana konstrukcja fotowoltaiczna zachowuje równowagę między kosztem, wydajnością oraz trwałością. 

W tym poradniku omówimy kwestie:

• doboru mocy instalacji fotowoltaicznej,
• optymalnego nachylenia konstrukcji PV,
• różnych konfiguracji konstrukcji PV,
• doboru mocowania konstrukcji do podłoża,
• wyboru materiału, z którego wykonana jest konstrukcja,
• oceny jakości konstrukcji.

Zobacz: dostępne opcji konstrukcji fotowoltaicznych na gruncie

Artykuł nie omawia systemów nadążnych, instalacji w układzie wschód-zachód, ani konstrukcji z modułami postawionymi na sztorc do agrofotowoltaiki.

Zacznijmy od omówienia Twoich potrzeb.

Dobór mocy instalacji fotowoltaicznej

Odpowiedni dobór mocy instalacji to szeroki zakres możliwości, i to niebagatelnych. Błąd popełnia się, dobierając moc instalacji na podstawie arbitralnych matematycznych założeń, jak na przykład zasada 1 kWp na 1000 kWh rocznego zużycia energii. Nie ma potrzeby nadmiernego obawiania się ewentualnych strat wynikających z "przewymiarowania" instalacji.

W większości krajów Europy i dla wszystkich systemów rozliczeń (za wyjątkiem net-meteringu) im większa moc fotowoltaiki, tym lepiej. Dla rocznego zużycia 40 000 kWh można dobrać instalację o mocy 30, 40, 50, 60, a nawet 70 kWp! Nie będzie to błąd. Dlaczego? 

• Większa instalacja to mniejszy koszt jednostkowy każdego kWp.
• Moduły tracą ok. 10% mocy w ciągu 25 lat.
• Rozbudowa instalacji to spory dodatkowy koszt.
• Dla wszystkich modeli rozliczeń (za wyjątkiem net-meteringu) roczne nadwyżki energii przynoszą korzyści finansowe.
• Instalacja ulega zabrudzeniu i traci na wydajności. Ekonomiczniej jest zainwestować w dodatkowe moduły niż regularnie wydawać środki na ich czyszczenie. W typowych warunkach optymalne okazuje się czyszczenie co pięć lat.
• Nie znamy nikogo, kto mówi „mam za dużo PV”. Znamy wielu mówiących „powinienem był kupić więcej PV”
• Zużycie energii nieustannie wzrasta. Budowa instalacji „na wyrost” uwzględnia przyszły wzrost zapotrzebowania.

 Stąd radzimy dobrać możliwie większą moc instalacji, biorąc pod uwagę ograniczenia takie jak:

• budżet
• dostępna przestrzeń
• moc przyłączeniowa

Matematycznie precyzyjny sposób określania najdogodniejszej mocy instalacji nie jest tematem tego artykułu, a poza tym nie jest do końca możliwy. Pokonanie mitu „przewymiarowanej” instalacji jest jednak bardzo ważne.

Nierzadko klienci pozostawiają puste miejsca na konstrukcji, co jest nieoptymalne kosztowo.

Nachylenie modułów fotowoltaicznych przy mniejszej instalacji

Jeśli szacujesz, że do zaspokojenia Twoich potrzeb wystarczy mniej niż 50 kWp modułów fotowoltaicznych - mamy dobre wieści! Instalacje tej wielkości da się zrealizować w jednym rzędzie, zatem nie trzeba się przejmować tym, że jeden rząd modułów może rzucać cień na rząd znajdujący z tyłu. W takim przypadku dobór optymalnego nachylenia jest dość prosty.

Optymalne nachylenie zależy od szerokości geograficznej oraz warunków pogodowych charakterystycznych dla regionu. W Europie wynosi ono, wedle pracy naukowej opracowanej na podstawie danych satelitarnych, od 20° do 50°:

Optymalne nachylenie modułów fotowoltaicznych w zależności od regionu uzyskane na podstawie danych dwóch systemów. Po lewej mamy PV-GIS, po prawej ECEM. Źródło -  Yves-Marie Saint-Drenan, An approach for the estimation of the aggregated photovoltaic power generated in several European countries from meteorological data, ResearchGate.

Optymalne kąty nachylenia dla wybranych lokalizacji na podstawie ww. źródła:

• Gdańsk - 36°
• Sycylia - 33°
• Edynburg - 40°

Nachylenie modułów PV i odstępy między rzędami w większej instalacji

Przy większych instalacjach (zwykle powyżej 50 kWp, ale zależy to od dostępnej przestrzeni montażowej) istnieje konieczność rozplanowania instalacji na kilku stołach stojących jeden za drugim.

Rzędy te rzucają cień, stąd muszą one stać w pewnej odległości od siebie. Im większy kąt nachylenia modułów, tym większa wymagana odległość. Z kolei im większa odległość, tym więcej powierzchni zajmuje instalacja. Zoptymalizowana instalacja zachowuje równowagę między tymi zmiennymi.

Rys. Cień rzucany przez rzędy modułów w dużej instalacji:

Co można zrobić, by optymalnie wykorzystać powierzchnię działki i ograniczyć straty wynikające z zacienienia?

Po pierwsze, zmniejszyć pochylenie modułów fotowoltaicznych. Różnice w rocznej produkcji nie są bardzo duże, a pozwala to zmniejszenie odległości między rzędami. Przykładową zależność między kątem pochylenia, roczną produktywnością (bez uwzględniania cienia) oraz wymaganą odległością między rzędami przedstawia poniższa tabelka:

Na podst. książki Bogusława Szymańskiego „Instalacje Fotowoltaiczne”

Jak widać na powyższym przykładzie, kąt pochylenia maksymalizujący roczną produkcję wyraźnie pogarsza wykorzystanie przestrzeni. Zmniejszenie kąta do 20° wyraźnie zmniejsza odległość i zachowuje wysoką produktywność.

Stąd też w praktyce na szerokości geograficznej Francji, Niemiec i Polski kąty pochylenia modułów PV nie przekraczają 25°.

Zarówno niskie pochylenie modułów, jak i duże przerwy między stołami widać na poniższym filmiku z 10,4 MW farmy fotowoltaicznej z Estonii

Obliczenia odległości między modułami

Definiując funkcję celu jako brak zacienienia w godzinach południowych 22 grudnia (tj. w dzień przesilenia zimowego) odległości między rzędami można wyliczyć z następujących wzorów:

β - kąt pochylenia modułów PV

α - kąt padania promieni w najmniej słoneczne dni w roku. 

• α = 90° - szerokość geograficzna - 23,45° 

d - wysokość kolumny modułów 

x - odległość między końcem rzędu a początkiem rzędu

• x = sin(β) × d / tg(α)

y - odległość między rzędami

• y = d × sin(180° - β - α) / sin(α)

Zastosowanie ww. wzoru pozwala na niemal całkowite uniknięcie zacienienia. Mimo tego, zmniejszenie odległości między rzędami może być korzystne ze względu na lepsze wykorzystanie przestrzeni. Na to tym większe znaczenie, im dalej na północ położona jest instalacja. Oznacza to zaakceptowanie pewnych strat produkcji. Na szczęście od kilku lat na rynku dostępne są technologie ograniczające te straty.

Orientacja i typ modułów 

Moduły fotowoltaiczne podzielone są na kilka sekcji przez diody bocznikujące. Głęboki cień powoduje rozłączenie całej sekcji. Dzieje się to dla ochrony ogniw. 

Stare, lecz wciąż spotykane moduły z całymi ogniwami były całkowicie rozłączane, gdy ich dolna część znajdowała się w cieniu. Montaż poziomy pozwalał na ograniczenie strat. Obecna generacja modułów fotowoltaicznych (tzw. half-cut) dzieli moduł na 6 częściowo niezależnych sekcji. Są przystosowane zarówno do montażu pionowego, jak i poziomego.

Zależność między typem i orientacją modułów a stratami przy zacienieniu opisuje poniższa grafika.

Na rysunku: Część modułu wyłączona z użytku wskutek zacienienia w zależności od modułu i orientacji

A - całe ogniwa pionowo - straty 100%

B - całe ogniwa poziomo straty 66%

C - half-cut poziomo straty 66%

D - half-cut pionowo straty 50%

Owale oznaczają obwody w module wyznaczane przez diody bocznikowe. Czerwone owale to obwody wyłączone przez cień. 

Wymiary paneli fotowoltaicznych

Na rynku spotykamy większe i mniejsze moduły fotowoltaiczne. Różnice mogą być dosyć spore. Z zasady jednak wybór większych (mocniejszych) modułów oznacza niższą cenę instalacji w przeliczeniu na jej moc (zł/kWp). 

Należy przy tym pamiętać, że: 

• Większe moduły generują wyższy prąd, co wymaga doboru odpowiedniego inwertera. Prąd generowany przez największe moduły przekracza możliwości mniejszych inwerterów, przeznaczonych na mniejsze instalacje. Przy mocy instalacji <10 kWp należy dobrać mniejsze moduły fotowoltaiczne.
• Większe moduły są mniej wytrzymałe, co oznacza tyle, że należy kupować je wyłącznie od sprawdzonych producentów.

Konstrukcja pod panele fotowoltaiczne - cena różnych konfiguracji

Standardowe konstrukcje fotowoltaiczne dzieli się ze względu na:

• liczbę podpór

Systemy jednopodporowe są tańsze, jednocześnie mniej sztywne i stabilne. Nie powinny być stosowane na gruncie o niskiej nośności.

Jedna podpora	Dwie podpory
Konstrukcja naziemna T2V	Konstrukcja naziemna N2V

• pionowy lub poziomy układ modułów
  Wybór sprowadza się często do kwestii estetycznych. Cena konstrukcji jest podobna, a z modułami half-cut instalacja jest bardziej odporna na zacienienie bez względu na orientację.

Układ pionowy	Układ poziomy
Konstrukcja naziemna N3V	Konstrukcja naziemna N3H

• Ilość rzędów
  Ilość rzędów, w połączeniu z orientacją, wpływa na wysokość kolumny modułów, co z kolei wpływa na moc jednego stołu instalacji.

Jeden rząd	Dwa rzędy
Konstrukcja naziemna T1V	Konstrukcja naziemna N2V
Trzy rzędy	Cztery rzędy
Konstrukcja naziemna N3H	Konstrukcja naziemna N4H

Jak wybrać materiał na konstrukcję

Konstrukcja wykonuje się ze stali nierdzewnej, aluminium oraz zwykłej stali konstrukcyjnej pokrytej ocynkiem z dodatkiem magnezu.

Naszym flagowym produktem w Altamira są konstrukcje ze strunobetonu (N2V-STR, N3V-STR, N3H-STR, N4H-STR, N5H-STR), to znaczy kompozytu przypominającego żelbet, z tą różnicą, że stalowe pręty są poddane naprężeniu przed zalaniem betonem. Kolumny ze strunobetonu wbija się kafarem w ziemię (czego nie wytrzymałby zwykły beton), a do niej przytwierdza się standardowe elementy ze stali konstrukcyjnej.

Zastosowanie strunobetonu pozwala na optymalizację kosztów inwestycyjnych bez pogorszenia wartości użytkowych.

Stal konstrukcyjna	Strunobeton
Konstrukcja naziemna N4H Gwarancja: Konstrukcja ze stali S350 - 25 lat Powłoka (Magnelis®) ZM430 - 25 lat	Konstrukcja naziemna N4H-STR Strunobeton jest około 30% tańszy Gwarancja: Strunobeton i stal S350 -30 lat Powłoka (Magnelis®) ZM430 - 25 lat

Na filmiku poniżej prezentujemy jak wygląda palowanie konstrukcji ze strunobetonu.

Jak dobrać konstrukcję PV do podłoża

Istnieją trzy główne sposoby mocowania konstrukcji do podłoża.

Najpopularniejsze są systemy wbijane kafarem. Tanie, proste i szybkie w montażu, poradzą sobie wszędzie tam, gdzie grunt nie jest bagnisty ani nazbyt sypki.

Na gruntach niższej nośności lepiej radzą sobie profile wkręcane. Mogą być stosowane tam, gdzie jest potrzebna wyższa odporność na wyrywanie.

Betonowe fundamenty stosuje się tam, gdzie grunt jest bagnisty, bardzo sypki lub tam, gdzie istnieje ryzyko kolizji z infrastrukturą podziemną (przewodami lub rurami).

Jak ocenić jakość, czyli certyfikaty i normy konstrukcji wsporczych

Bezpieczne użytkowanie zapewnia jedynie konstrukcja wykonana zgodnie z normami obowiązującymi w danym kraju. Bywa, że klient obawia się, czy wyroby firmy X, czy Y są rzeczywiście solidnie wykonane. Na szczęście tworzenie konstrukcji stalowych to sztuka od lat doskonalona i fakt posiadania odpowiednich certyfikatów stanowi odpowiednie zabezpieczenie dla inwestora. 

Lista podstawowych europejskich certyfikatów:

• Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych:
  - EN 1090-1+A1 - Zasady oceny zgodności elementów konstrukcyjnych
  - EN 1090-2+A1 - Wymagania techniczne dotyczące konstrukcji stalowych
  - EN 1090-3 - Wymagania techniczne dotyczące konstrukcji aluminiowych

• Oddziaływania na konstrukcje:
  - EN 1991-1-3 - Obciążenie śniegiem
  - EN 1991-1-4 - Oddziaływanie wiatru

Krajowe odpowiedniki będące tłumaczeniem norm europejskich zawierają na początku odpowiednie oznaczenie. Przykładowo polski odpowiednik normy EN 1090 to PN-EN 1090. Odpowiednik niemiecki to DIN-EN 1090, a brytyjski BS-EN 1090.

Dodatkowe certyfikaty, mające zastosowanie w niektórych konstrukcjach:

• EN 1992-1-1 - konstrukcje z betonu i strunobetonu
• EN 1993-1-1 - reguły określania wytrzymałości konstrukcji stalowych
• EN 1993-1-3 - uzupełniająca o kształtowniki i blachy
• EN 1993-1-5 - uzupełniająca o blachownice

Odporność na korozję

Konstrukcje stosowane w trudnym środowisku powinny być przebadane w zakresie normy EN ISO 9227. 

W przypadku konstrukcji ze stali krytej powłoką ochronną ocenia się również trwałość korozyjną powłoki. Minimalna klasa korozyjności dla konstrukcji pod fotowoltaikę to C3 wedle normy EN ISO 12944-2. W obszarach o większym zanieczyszczeniu powietrza należy szukać produktu o klasie odporności C4, a przypadku bardzo dużego zanieczyszczenia - C5.

Stosowana przez nas powłoka Magnelis® ma klasę odporności na korozję C5.