Instalacja fotowoltaiczna dla Hali Sportowej Politechniki Poznańskiej

Typowa instalacja PV składa się z:

• paneli fotowoltaicznych, czyli elementów półprzewodnikowych, w których następuje konwersja promieniowania słonecznego w energię elektryczną,
• konstrukcji mocującej,
• sieci przewodów obwodów AC i DC,
• inwertera 
• oraz - w niektórych przypadkach - akumulatora [6].

Nowo powstająca Hala Sportowa Politechniki Poznańskiej (HSPP) będzie budynkiem o bardzo niskim zapotrzebowaniu na energię, zasilanym wyłącznie energią elektryczną, ma też dogodne warunki do montażu dachowej instalacji PV, dlatego zdecydowano się na wykonanie koncepcji takiej instalacji.

W artykule przedstawiono analizy, jakie przeprowadzono w celu ustalenia optymalnych parametrów instalacji. W ramach prac nad koncepcją przeprowadzono analizę wpływu orientacji i kąta nachylenia paneli na ilość wyprodukowanej energii, ustalono występujące ograniczenia, wybrano najkorzystniejszy wariant instalacji PV, porównano dwa niezależne systemy oferowane na rynku oraz sformułowano zestaw wytycznych międzybranżowych.

Charakterystyka obiektu

Lokalizacja

Instalację umiejscowiono w budynku użyteczności publicznej – Hali Sportowej Politechniki Poznańskiej na terenie tzw. kampusu Warta. Jest on usytuowany w Poznaniu, między ulicami Kórnicką, Piotrowo, drogą wewnętrzną Politechniki Poznańskiej i planowanym bulwarem nadwarciańskim (ul. Przystań) – rys. 1.

Część dachu hali przeznaczona na instalację fotowoltaiczną to obszar o wymiarach ok. 26×56 m, o łącznej powierzchni ok. 1450 m², ograniczony przez system asekuracji (rys. 2). Pozostała część dachu z powodu licznie występujących elementów instalacji wentylacyjnej, takich jak wyrzutnie powietrza, kanały, wentylatory, nie nadaje się do wykorzystania.

Wysokość budynku HSPP wynosi ok. 9 m w stosunku do poziomu terenu od strony ulicy Piotrowo i ok. 12 m w stosunku do poziomu ulicy Przystań. Dach hali pokryty jest białą membraną PVC o współczynniku odbicia słonecznego SRI = 107, co w praktyce oznacza, że ma bardzo wysoką refleksyjność. Jest to korzystne dla paneli, ponieważ obniża temperaturę ich otoczenia (powierzchni dachu), przez co pozwala zwiększyć sprawność, a tym samym produkcję energii.

Otoczenie HSPP a instalacja PV

Od strony zachodniej budynku HSPP, na terenie miejskim, znajdują się drzewa o wysokości ok. 22 m, które mogą zacieniać instalację PV w godzinach popołudniowych. Dlatego planowany jest wniosek Politechniki Poznańskiej do Urzędu Miasta Poznania o ich przycięcie do wysokości dachu budynku (ok. 12 m) – rys. 3a i rys. 3b. Pozostałe obiekty od strony wschodniej, południowej i zachodniej są zasadniczo niższe od HSPP i nie spowodują zacienienia instalacji.

Istotne założenia projektowe

Na wstępnym etapie tworzenia koncepcji instalacji fotowoltaicznej poczyniono szereg założeń dotyczących sposobu montażu paneli. Ustalono, że podkonstrukcja instalacji PV będzie ułożona bezpośrednio na membranie dachowej (samonośna), a wysokość instalacji nie może przekroczyć 40 cm ponad pokryciem dachu ze względu na niebezpieczeństwo tworzenia się tzw. worków śnieżnych.

Przyjęto, że w orientacji południowej panele nie będą się zacieniały wzajemnie 22 grudnia o godzinie 12.00. Główną wytyczną podczas tworzenia koncepcji było maksymalne wykorzystanie przez panele PV nieuzbrojonej powierzchni dachu. Ze względów konstrukcyjnych ograniczono obciążenie dachu instalacją do maks. 20 kg/m². Przewidziano, że pomiędzy rzędami paneli przebiegać będą przejścia techniczne ułatwiające ewentualne odśnieżanie dachu (zakładane w sytuacjach awaryjnych).

Analiza orientacji instalacji PV

Na potrzeby opracowania koncepcji wykonano analizę wariantów orientacji instalacji PV w stosunku do kierunków świata za pomocą programu PVSyst [8]. Dłuższe ściany budynku HSPP są odchylone od kierunku południowego o 26° (azymut 206°), w związku z czym istnieją cztery możliwe orientacje instalacji: dwie zgodne z orientacją budynku (206° i 116/296°) oraz dwie skierowane bezpośrednio na południe (180°) i na wschód/zachód (90/270°).

Nieregularny kształt instalacji 180° i 90/270° w rzucie wpływa na zmniejszenie sumarycznej liczby paneli, którą można zainstalować na dachu, dlatego wariant taki nie jest zalecany. Dodatkowo zmniejszenie efektywności wynikające z odchyłki budynku od kierunku N-S wynosi jedynie 2–4%. Różnice pomiędzy współczynnikami efektywności energetycznej (stosunek ilości energii wyprodukowanej do mocy szczytowej) instalacji S i E-W mieszczą się w przedziale 10–15%.

W związku z powyższym do dalszych analiz przyjęto dwie orientacje instalacji PV, zgodne z orientacją budynku (odchyłka od kierunku N-S o 26°):

• orientacja S – azymut 206°,
• orientacja E-W – azymut 116/296°.

Analiza kąta pochylenia paneli PV

Analizę wariantów pochylenia paneli wykonano za pomocą kalkulatora PV Komisji Europejskiej [7]. Dane klimatyczne zaczerpnięto ze strony CM SAF (The Satellite Application Facility on Climate Monitoring) [9] dla szerokości geograficznej 52,403° N i długości 16,948° E (Poznań). Dane te są wynikami uśrednionych długoterminowo pomiarów średniego miesięcznego promieniowania całkowitego i rozproszonego na płaszczyznę poziomą w stacjach pomiarowych w Europie.

Największą ilość energii w stosunku do mocy instalacji pozwalają wyprodukować instalacje nachylone pod kątem 30° dla orientacji południowej i pod kątem 25° dla orientacji wschodnio-zachodniej (warianty optymalne). Jednak nie spełniają one warunku dotyczącego nieprzekraczania wysokości 40 cm ponad pokryciem dachu. W związku z tym w analizie porównano ww. warianty optymalne z wariantami spełniającymi kryterium wysokości (10° E-W i S). Dodatkowo uzupełniono analizę o wariant orientacji 10° E-W ze zwiększonym rozstawem między rzędami instalacji. Takie rozwiązanie pozwala zmniejszyć koszty inwestycyjne przy jednoczesnej możliwości rozbudowy instalacji w przyszłości do ok. 150 kWp.

Dla wariantów S, na podstawie obliczonych minimalnych odległości między rzędami paneli (kryterium zacienienia), uzyskano liczbę paneli oraz moc instalacji. Dla wariantów E-W przyjęto, że odległość ta będzie wynosiła 1 m ze względów eksploatacyjnych. Założono maksymalne obciążenie dachu wynoszące 30 kg/m² dachu pokrytego panelami (w rzucie pod instalacją PV), co daje 20 kg/m² na całej powierzchni dachu przeznaczonej na instalację PV.

Rzuty i przekroje planowanej instalacji w różnych wariantach orientacji i pochylenia pokazano na rys. 4a, rys. 4b, rys. 4c i rys 4d.

Roczna produkcja energii

W tabeli 1 przedstawiono liczbę paneli, moc instalacji, wskaźnik efektywności energetycznej i roczną produkcję energii dla wariantu optymalnego pochylenia paneli przy danej orientacji (30° dla S i 25° dla E-W) oraz wariantu spełniającego wymagania dotyczące wysokości instalacji (10°).

Miesięczna produkcja energii w wariancie S10° jest wyższa od produkcji przy kącie pochylenia paneli 30° o ok. 70% średniorocznie (rys. 5). Tak znaczna różnica związana jest głównie z dużo większą liczbą paneli w przypadku mniejszego kąta ich nachylenia (możliwość zastosowania mniejszych odstępów między rzędami paneli – brak zacieniania). Rozwiązanie S30° jest niemożliwe do zrealizowania na HSPP ze względu na wysokość wykraczającą o 40 cm ponad pokrycie dachu (wymóg konstrukcyjny).

Miesięczna produkcja energii w obu wariantach kąta nachylenia przy orientacji E-W jest zbliżona (średnioroczna różnica wynosi 1,5%) – rys. 6. Rozwiązanie E-W25° jest jednak także niemożliwe do zrealizowania na HSPP ze względu na wysokość wykraczającą o 40 cm ponad pokryciem dachu (wymóg konstrukcyjny).

Przewidywana produkcja energii w ciągu dnia

Na rys. 7 przedstawiono krzywe obrazujące przewidywaną jednostkową produkcję energii w ciągu dnia w miesiącach o najdłuższej (czerwiec) i najkrótszej (grudzień) produkcji energii dla dwóch wariantów orientacji: południowej (S) i wschód-zachód (E-W) oraz kąta 10°.

Chwilowe moce w ciągu dnia dla orientacji południowej są nieznacznie większe przez cały rok w godzinach popołudniowych (średniorocznie o 3%). Maksymalnie różnice te wynoszą 7% (tj. 4 W/m²).

Warianty wielkości instalacji PV

Tabela 2 przedstawia porównanie mocy i liczby paneli dla pięciu analizowanych wariantów.

Ze względu na optymalne wykorzystanie dostępnej powierzchni (z uwzględnieniem technicznego przejścia przez środek instalacji oraz przejść ułatwiających odśnieżanie pomiędzy rzędami) najlepsze byłoby ułożenie paneli w kierunku wschód-zachód (E-W), ponieważ nie wymaga ono znacznych odstępów między rzędami, które są konieczne, żeby panele wzajemnie się nie zacieniały w wariancie południowym (S). Wariant E-W pozwala na zastosowanie 594 paneli niezależnie od ich kąta nachylenia. Co za tym idzie, również moc instalacji dla takiego rozwiązania jest najwyższa i wynosi 151,5 kWp dla paneli o mocy maksymalnej ok. 255 W każdy.

Analiza ekonomiczna instalacji PV

Koszty inwestycyjne

W kolejnym etapie analizy mającej na celu wybór optymalnego wariantu instalacji wyznaczono koszty inwestycyjne. Cenę 1 kWh energii elektrycznej przyjęto na średnim poziomie 0,50 zł.

Tabela 3 zawiera szacunkowe koszty inwestycyjne instalacji fotowoltaicznej z uwzględnieniem: paneli PV, inwerterów, okablowania obwodów AC i DC, systemu montażowego oraz wykonania całej instalacji dla pięciu różnych wariantów. Koszty zostały wyznaczone wskaźnikowo i stanowią jedynie przybliżone wartości rzeczywistych kosztów instalacji fotowoltaicznej.

Suma kosztów inwestycyjnych dla wariantu o największej mocy instalacji (E-W – 151,5 kWp) wynosi ok. 958 000 zł. Wariant o najmniejszej mocy nominalnej (S – 76,5 kWp) jest najtańszy – ok. 474 000 zł.

Oszczędności eksploatacyjne – zyski z produkcji energii

W ramach prowadzonych analiz wyznaczono również oszczędności eksploatacyjne wynikające z produkcji energii elektrycznej. Tabela 4 przedstawia prognozowaną produkcję energii, zyski roczne oraz prosty czas zwrotu nakładów inwestycyjnych (SPBT).

Obliczono również jednostkową cenę mocy instalacji PV – wskaźnik kosztów inwestycyjnych. Jest on najniższy dla orientacji południowej i kąta nachylenia 10° – 6,01 zł/W. Dla wariantu E-W i instalacji o mocy 151,5 kW wynosi 6,33 zł. Wariant o orientacji E-W i kącie nachylenia 25° jest najlepszy pod względem rocznej produkcji energii, a co za tym idzie również zysku rocznego. Jednak tak duży kąt nachylenia nie spełnia wymagania odnośnie do nieprzekraczania przez górną krawędź instalacji wysokości 40 cm ponad pokryciem dachu. SPBT dla wszystkich przeanalizowanych rozwiązań jest zbliżony i wynosi ok. 14–15 lat bez uwzględnienia systemu dofinansowań. W analizie nie brano pod uwagę dodatkowych kosztów eksploatacji instalacji PV związanych z czyszczeniem, konserwacją, serwisowaniem itp.

Koszty inwestycyjne, a jednocześnie roczna produkcja energii dla wariantu E-W25° są około dwukrotnie wyższe niż dla wariantu S30°. Różnica ta wynika przede wszystkim z liczby (łącznej powierzchni) paneli fotowoltaicznych. Średnia wartość SPBT dla wszystkich analizowanych konfiguracji wynosi ok. 15 lat.

Analizując warianty spełniające wymagania konstrukcyjne HSPP (II, IV, V), różnica w SPBT wynosi ok. 8%, natomiast wskaźnik efektywności energetycznej (iloraz rocznej produkcji energii do mocy maksymalnej) różni się jedynie o ok. 3,5%.

Wybór rekomendowanego rozwiązania

Na podstawie zaprezentowanych powyżej wyników obliczeń stwierdzić można, że naj­istotniejszym parametrem instalacji fotowoltaicznej jest liczba paneli (łączna powierzchnia ogniw) i ich właściwości charakterystyczne (moc maksymalna, sprawność itp.). W uproszczonych analizach dotyczących typowych orientacji (S, E-W) i kątów nachylenia z przedziału 10–30° przyjmować można jednostkowe koszty inwestycyjne kilowata mocy szczytowej na poziomie ok. 6000–6300 zł/kWp oraz wskaźnik efektywności energetycznej ok. 830–860 kWh/kWp.

Niewątpliwie najkorzystniejszym ekonomicznie rozwiązaniem dla Hali Sportowej Politechniki Poznańskiej jest wariant II (S10°), cechujący się najkrótszym czasem zwrotu kosztów inwestycyjnych i najwyższym wskaźnikiem efektywności energetycznej. Biorąc jednak pod uwagę wszystkie parametry i wymagania odnośnie do instalacji PV na dachu HSPP, rekomendowanym rozwiązaniem jest orientacja instalacji wschodnio-zachodnia (E/W 116°/296°) i kąt nachylenia 10° z 594 panelami fotowoltaicznymi – wariant IV. Konfiguracja ta spełnia wszystkie wymagania konstrukcyjne i jednocześnie produkuje najwięcej energii elektrycznej, co przy stosunkowo niewielkich różnicach w SPBT i wskaźniku efektywności jest najkorzystniejszym rozwiązaniem dla inwestora (znaczne potrzeby energetyczne kampusu PP, najlepsze wykorzystanie powierzchni dachu).

W przypadku konieczności etapowania inwestycji możliwe jest zrealizowanie wariantu V (330 paneli), cechującego się niemal identycznymi wskaźnikami jak wariant IV.

Podczas opracowywania projektu wykonawczego należałoby wziąć również pod uwagę możliwość nachylenia paneli pod kątem ok. 15°, co pozwoliłoby na nieco lepsze wykorzystanie energii słonecznej niż wariant o kącie 10°, pod warunkiem że takie rozwiązanie spełniłoby wymaganie odnośnie do wysokości górnej krawędzi instalacji (maksymalnie 40 cm). Dodatkowym atutem orientacji E-W, ze względu na dobrą aerodynamikę, jest mniejsze obciążenie konstrukcji dachu.

Z przedstawionych w artykule analiz wynikają niewielkie różnice pomiędzy poszczególnymi orientacjami i kątami nachylenia paneli (w zakresie 0–30° do poziomu), jednak każdorazowo zalecana jest szczegółowa analiza z uwzględnieniem lokalnych uwarunkowań oraz aktualnych możliwości dofinansowania instalacji PV.

Literatura

1. Chwieduk D., Energetyka słoneczna budynku, Wyd. Arkady, 2011.
2. Jastrzębska G., Ogniwa słoneczne. Budowa, technologia i zastosowanie, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności WKŁ, 2013.
3. Łotocki H., ABC systemów fotowoltaicznych sprzężonych z siecią energetyczną. Poradnik dla instalatorów, Wyd. KaBe, Krosno 2011.
4. Klugmann-Radziemska E., Fotowoltaika w teorii i praktyce, Wyd. BTC, 2014.
5. Sarniak M., Podstawy fotowoltaiki, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2008.
6. Szymański B., Instalacje fotowoltaiczne, GEOSYSTEM, 2014.
7. Kalkulator PV Komisji Europejskiej, http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php.
8. Oprogramowanie symulacyjne PVSyst, http://www.pvsyst.com.
9. http://www.cmsaf.eu/EN/Home/home_node.html.