Instalacja fotowoltaiczna – wzrost napięcia w sieci a straty w produkcji. Analiza ekspertów

4.7 /5
(Ocen: 20)
Rosnące ceny energii stały się niezwykłą siłą napędową, która wywindowała Polskę na jednego z liderów nowych mocy zainstalowanych w systemach fotowoltaicznych. Na poziomie kraju osiągnęliśmy moc, którą plany rządowe przewidywały na następne dziesięciolecie. Jednak rozwojowi rozproszonej generacji PV nie towarzyszyła równoczesna modernizacja sieci dystrybucyjnych – za co płacą już pośrednio właściciele systemów PV.
Uwaga: Przedstawiona w artykule przykładowa instalacja fotowoltaiczna znajduje się przy budynku jednorodzinnym w obszarze wiejskim przeznaczonym pod jednorodzinną zabudowę mieszkalną na południu województwa śląskiego (powiat bielski). Moduły PV o mocy 5,5 kW umieszczone są na konstrukcji gruntowej skierowanej na południe pod kątem około 30 stopni. Brak zabudowy w pobliżu elektrowni gwarantuje jej dobre nasłonecznienie.

 

Sprawdź bezpłatnie oferty fotowoltaiki

Fotowoltaika nie produkuje prądu lub są straty w uzyskach – skąd te problemy prosumentów?

Niektórzy posiadacze instalacji fotowoltaicznych, a w szczególności osoby, które posiadają je od dłuższego czasu, obserwują w ostatnich kilkunastu miesiącach, znaczące spadki produkcji ich instalacji fotowoltaicznych. Z czego może to wynikać?

Nie jest to spadek wynikający tylko i wyłącznie ze starzenia modułów fotowoltaicznych. Są to zbyt duże ilości energii, by winą obciążyć degradację ogniw fotowoltaicznych. Kiedy przyjrzymy się wykresom (Rys. 1), produkcja w tych elektrowniach jest zastanawiająca – często w samo południe (w szczególności 21.06.2022) pojawiają się spadki produkcji, czy wręcz elektrownia jest całkowicie wyłączona. Z całą pewnością brak produkcji w samo południe w polskich warunkach klimatycznych w lecie nie wynika z braku nasłonecznienia. Chociaż naturalnym jest, że przejściowe spadki generacji mogą wynikać z przemieszczających się chmur ograniczających nasłonecznienie czy sytuacji specyficznych dla wybranej instalacji jak np. chwilowe zacienienie części modułów. Mając na względzie taki stan rzeczy, należy iść jeszcze głębiej i sprawdzić przyczynę wyłączenia czy nienaturalnie zmniejszonej generacji.

Straty w produkcji fotowoltaiki - wzrost napięcia w sieci.

Rysunek 1. Zmienność produkcji energii przez instalację fotowoltaiczną (o mocy znamionowej 5,5 kWp) 16 i 21 czerwca 2022.

W oparciu o dane średnie 5-minutowe producenci wielu inwerterów oferują możliwość zdalnego podglądu stanu urządzenia, a także raportowania o ewentualnych błędach. Dlatego właściciele lub serwisanci instalacji, których dotyka problem wyłączania elektrowni w ciągu dnia, mogą znaleźć na swoich skrzynkach mailowych raporty. Najpewniej będą one informowały o tym, że przekroczone zostało dozwolone napięcie w sieci elektroenergetycznej. Z czego wynika taka sytuacja i jak można jej zapobiec oraz jakie skutki mają powtarzające się epizody wyłączenia instalacji dla ekonomiki takiego przedsięwzięcia?

Instalacja fotowoltaiczna – wzrost napięcia źródłem strat w produkcji

Po pierwsze. Prawidłowo wybrany sposób funkcjonowania sieci zadeklarowany w inwerterze gwarantuje instalacji bezpieczeństwo nawet w sytuacji nienormatywnego napięcia w sieci elektroenergetycznej. Dlatego nie należy stosować sposobów, które potencjalnie mogą zwiększyć produkcję poprzez nieprzestrzeganie norm. Działania takie narażają na niebezpieczeństwo urządzenia i użytkowników w budynku, w którym jest instalacja oraz w sąsiedztwie, gdyż zbyt wysokie napięcie w sieci elektroenergetycznej może uszkadzać odbiorniki nieprzystosowane do pracy pod takim napięciem, co użytkownikom grozi porażeniem prądem elektrycznym.

Prawidłowo ustawiony inwerter wyłączy się, gdy napięcie w sieci elektroenergetycznej przekroczy wartość normatywną, która jest podana dla całego kraju (230V +/- 10%, czyli pomiędzy 207 a 253 V). Zmierzenie przez inwerter wartości, która przekracza ten zakres poza zakres, powoduje wyłączenie inwertera. Oznacza to bowiem, że sieć elektroenergetyczna nie pracuje prawidłowo i dla zabezpieczenia inwertera powinien się on odłączyć. Podobna sytuacja nastąpi, jeśli z jakiegoś powodu zmieniona by była częstotliwość w sieci. Jest to podstawową przyczyną drastycznych spadków produkcji w godzinach południowych.

Wzrost napięcia – fotowoltaika nie produkuje prądu, by zbilansować popyt na energię

Po drugie, jednorazowo zaobserwowany taki epizod nie powinien znacząco martwić właścicieli instalacji, gdyż takie mogą zdarzać się z różnych przyczyn, niekiedy nawet bez fotowoltaiki. Wręcz przeciwnie – mogą być spokojni, gdyż ich inwerter jest prawidłowo ustawiony i chroni siebie i całą elektrownię przed zagrożeniem ze strony nieprawidłowo funkcjonującej sieci elektroenergetycznej. Napięcie może wzrosnąć powyżej pewnych wartości, jednak powinny to być przejściowe problemy, które nie będą stale narażały użytkowników i urządzeń na niebezpieczeństwo pracy pod zbyt wysokim napięciem.

Natomiast, jeśli pojawia się coraz to więcej i więcej instalacji fotowoltaicznych w tym samym obszarze, mamy do czynienia z lokalnym nadmiarem energii prowadzącym do wzrostu napięcia, którego często transformatory nie są w stanie rozładować, ze względu na swoją specyfikę konstrukcji, wiek i niedostosowane do obecnej sytuacji. Rys. 2 przedstawia typowy widok dla wielu polskich wsi i miasteczek. Słoneczne południe, instalacje fotowoltaiczne mogłyby pracować z pełną mocą jednak, w budynkach mieszkalnych większość urządzeń pracuje z ograniczonym poborem mocy bądź jest wyłączona, a ich potencjalni użytkownicy, zużywając energię elektryczną, przebywając w miejscu odległym od zamieszkania o nieraz kilkadziesiąt kilometrów. W efekcie w sieci pojawia się znacząca nadwyżka mocy, a tym samym wzrasta napięcie, które jak wyjaśniono powyżej, ze względów bezpieczeństwa, spowoduje wyłączenie systemu PV.

Wysokie zagęszczenie instalacji fotowoltaicznych = wzrost napięcia w sieci

Trzecią składową potrzebną do objaśnienia tej sytuacji jest odpowiedź na pytanie, dlaczego fotowoltaika powoduje wzrost napięcia w sieci? Otóż, by wprowadzić energię do sieci elektroenergetycznej, napięcie w instalacji musi być nieco wyższe niż napięcie w sieci elektroenergetycznej, gdyż chcemy, by energia płynęła do sieci, a nie była z niej pobierana. Stąd każde źródło, niezależnie czy jest to fotowoltaika, czy jakiekolwiek inne źródło energii elektrycznej będzie mniej lub bardziej delikatnie podnosić napięcie w sieci w miejscu przyłączenia. Jeśli jest to jedno źródło i ma ono moc niedużą w stosunku do odbiorców, sytuacja będzie niezauważalna, a wręcz może nastąpić poprawa parametrów sieci i zbliżenie zbyt niskiego napięcia do parametrów wzorcowych.

Jeśli natomiast produkcja jest w danym fragmencie sieci zbyt duża w stosunku do odbioru, nastąpi gwałtowny wzrost napięcia w sieci. Wynika to z faktu, że każda z instalacji będzie chciała wprowadzić energię do sieci. A jeśli tak, to każda będzie podnosiła napięcie na stykach wprowadzających energię do sieci. I tak dla zobrazowania wyobraźmy sobie 5 instalacji, z których każda podnosi napięcie o 1 wolt ponad napięcie w sieci i dokonuje korekty co 5 minut. Po kilku takich przebiegach dochodzimy do napięcia w sieci, które jest zbyt wysokie dla każdego z tych inwerterów, więc wyłączą się one, ograniczając naszą produkcję.

Nadmiar produkcji z PV a wzrost napięcia

Rysunek 2. Symboliczne zobrazowanie sytuacji nadmiaru mocy z instalacji PV w stosunku do zapotrzebowania. Generacja PV – w sytuacji, gdyby nie doszło do przekroczenia dopuszczalnego napięcia.

Instalacja fotowoltaiczna – wysokie napięcie a straty w produkcji. Dane z czerwca 2022 roku

Na tym etapie możliwe jest oszacowanie poziomu strat w produkcji energii elektrycznej dla instalacji fotowoltaicznej. Dokładne analizy wymagałyby zainstalowania obok niej stacji pomiarowej nasłonecznienia i wykonania symulacji mocy generowanej. Część rozbieżności pomiędzy symulacją a rzeczywistą generacją należałoby wtedy przypisać stratom wynikającym z wyłączenia instalacji. Alternatywą byłoby zainstalowanie takiego samego systemu pracującego w trybie off-grid i porównanie ich uzysków – oczywiście podkreślamy, że byłoby to jednak reprezentatywne wyłącznie dla tego konkretnego systemu PV lub fragmentu sieci dystrybucyjnej.

Na Rys. 1 przedstawiono tylko dwa dni, dla których zaobserwowano to niekorzystne zjawisko odłączenia systemu PV. Na Rys. 3 możemy jednak zauważyć, iż jest to problem notoryczny.  W czerwcu bieżącego roku, miesiącu, który jest jednym z najlepszych dla generacji fotowoltaicznej, obserwujemy, jak początkiem każdego dnia instalacja ma w miarę gładki profil produkcji energii – z każdą minutą rosnące nasłonecznienie przekłada się na większy uzysk energii. Natomiast po godzinie 9 następuje załamanie profilu generacji i często osiąga on wartości zerowe. W godzinach popołudniowych (po 16) profil ponownie uzyskuje swój gładki charakter. Naszym zdaniem (co potwierdzają również odczyty napięcia dla tej instalacji) jest to spowodowane w głównej mierze nadprodukcją energii w stosunku do jej zużycia w sieci dystrybucyjnej – co jak opisano powyżej, może być jedną z przyczyn wyłączeń instalacji fotowoltaicznej.

Fotowoltaika - wzrost napięcia a straty w produkcji. Dane - czerwiec 2022

Rysunek 3. Praca instalacji fotowoltaicznej w czerwcu 2022 roku. Oba wykresy przedstawiają te same dane, ale w inny sposób.

Naturalnie część tej zmienności w generacji, którą obserwujemy, jest spowodowana zmianami nasłonecznienia i przemieszczającymi się chmurami. Natomiast nie wszystkie spadki obserwowane na Rys. 3 wynikają ze zmienności warunków atmosferycznych, ponieważ czerwiec sam w sobie był miesiącem pogodnym, co zaprezentowano na Rys. 4. Przedstawiono tam typowy profil generacji dobowej (z danych czerwcowych) na tle natężenia promieniowania słonecznego. W godzinach okołopołudniowych 11-15 dochodzi co prawda do pewnego wygładzenia profilu natężenia promieniowania słonecznego, ale spadek generacji ze źródeł PV nie jest z tym powiązany w 100%. Widać wyraźnie jak generacja (czarna linia) “rozjeżdża się” w godzinach okołopołudniowych z potencjałem energii słonecznej (linia czerwona).

Fotowoltaika nie produkuje prądu. Straty wywołane wzrostem napięciem w sieci to nawet 50-75%

W analizowanym okresie instalacja ta wygenerowała dokładnie 389,3 kWh. Według naszych szacunków w czerwcu 2022 taka instalacja powinna wygenerować od około 800 kWh do ponad 1000 kWh – w zależności od kierunku jej orientacji, kąta nachylenia modułów PV, czy też jakości komponentów i stopnia zabrudzenia. Widzimy więc, że na skutek odłączenia instalacji od sieci właściciel traci potencjalnie od 400 kWh do ponad 600 kWh potencjalnego uzysku, czyli pomiędzy 50 a 75% potencjalnych zysków nie jest osiągane.

Na koniec pozostaje nam zapytać, kto jest za ten stan rzeczy odpowiedzialny? Z całą pewnością sieć elektroenergetyczna w tym fragmencie nie jest w pełni przystosowana do obsługi generacji rozproszonej i pasuje raczej do dawnego modelu centralnej generacji i rozproszonego zużycia energii. Za utrzymanie prawidłowego napięcia w sieci elektroenergetycznej odpowiada jej operator.

Pechowym jest również, że większość spośród sąsiadów w tej okolicy zdecydowała się na zainstalowanie elektrowni PV. Faktem jest również, że elektrownia została zwymiarowana z dopasowaniem do potrzeb energetycznych gospodarstwa domowego z uwzględnieniem bilansowego rozliczania net-metering, a nie według profilu zużycia (por. Rys. 2). Autorzy podkreślają jednak, iż sama instalacja PV jest wykonana w zgodzie z przyjętymi standardami. Jakie działania może podjąć właściciel instalacji w celu ograniczenia strat?

Produkcja a potencjał wytwórczy - fotowoltaika i wzrost napięcia.

Rysunek 4. Średnia moc generowana z analizowanej instalacji PV na tle średniego natężenia promieniowania słonecznego dla analizowanej lokalizacji wg. pomiarów satelitarnych.

Wzrost napięcia – fotowoltaika. Scenariusze eliminacji problemu

Teoretycznie mieszkańcy mogą wziąć sprawy w swoje ręce i korzystając z coraz powszechniejszej możliwości sterowania i programowania różnych urządzeń w gospodarstwie domowym uruchamiać pralki, pralko-suszarki, zmywarki, podgrzewacze wody w godzinach, gdy nie są obecni w domu, a obserwowana jest zwiększona generacja ze źródeł fotowoltaicznych.

Oczywiście pojedyncze gospodarstwo domowe nie jest w stanie wygenerować odpowiednio dużego zapotrzebowania na energię, by skutecznie obniżyć napięcie podnoszone przez kilkanaście elektrowni. Tego typu działania wymagałyby wysiłku zbiorowego korzystnego dla wszystkich właścicieli systemów PV w okolicy, ponieważ nie tylko nie utracą oni swojej generacji, ale również wzrośnie konsumpcja własna. Trudno jednak spodziewać się, by taka akcja dawała znaczące rezultaty, zwłaszcza że w zwartej zabudowie jednorodzinnej nawet wiele odbiorników może nie zrównoważyć intensywnej, powtarzanej codziennie produkcji.

Koniecznym wydaje się być zatem unowocześnienie oprzyrządowania sieci elektroenergetycznej lub przyłączenie znacznego odbiorcy zużywającego energię elektryczną w godzinach południowych. Słowem klucz jest „przyłączenie”, gdyż może to być już istniejący odbiorca, który, może być, nawet bez własnej świadomości, przełączany przez automatykę sieciową do innego fragmentu sieci, gdzie panuje podwyższone napięcie. Finalnie, najpewniejszym i najbardziej niezawodnym rozwiązaniem jest modernizacja stacji transformatorowej, co jednak trwa i kosztuje, będąc w domenie operatora sieci dystrybucyjnej.

Reasumując. W artykule wyjaśniono przyczynę wyłączania instalacji fotowoltaicznych. Można stwierdzić, iż rozwój infrastruktury sieciowej nie nadąża za rozbudową generacji rozproszonej, a prosumenci dotknięci tym niekorzystnym zjawiskiem mają niewielkie możliwości przeciwdziałania mu. Na podstawie przykładowej instalacji z Polski południowej zobrazowano skalę zjawiska i oszacowano wielkość nieosiągniętych zysków. Należy mieć na uwadze, iż szacunki dotyczą konkretnego fragmentu sieci dystrybucyjnej, jednak podobnych sytuacji można się spodziewać również w innych częściach Polski.

A jak pracowały Wasze instalacje fotowoltaiczne? Czy doświadczacie podobnych problemów? Podzielcie się z nami w komentarzach.


Autorzy artykułu

Jakub Jurasz

W latach 2018-2020 pracownik naukowy MDH University w Szwecji. Od 2021 adiunkt-naukowo dydaktyczny na Wydziale Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej. Zainteresowania naukowe: hybrydowe układy wytwórcze oparte o odnawialne źródła energii, sytuacje ekstremalne w energetyce odnawialnej, zmienność i komplementarność zasobów energii słońca, wiatru oraz wód płynących. Aktywna współpraca międzynarodowa z partnerami z: Niemiec, Chin, Szwecji, Włoch, Francji, Brazylii, Kolumbii, USA, Kanady, Litwy, Egiptu oraz Algieri. Scopus Author ID: 56469780000.

Bartłomiej Ciapała

Pracuje na Wydziale Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska AGH w Krakowie. W swojej pracy naukowej skupia się na wykorzystaniu lokalnych odnawialnych źródeł energii z uwzględnieniem uwarunkowań społecznych i ekonomicznych. Głównymi zagadnieniami badawczymi są wykorzystanie niskotemperaturowych zasobów geotermalnych, w tym z wykorzystaniem pomp ciepła oraz badanie możliwości wprowadzania energii z różnych odnawialnych źródeł energii do sieci elektroenergetycznych i ciepłowniczych.

Informacje o autorze
Dodaj komentarz
guest
3 komentarzy
Najnowsze
Najstarsze Najpopularniejsze
Inline Feedbacks
View all comments
Daniel
Daniel
15 września 2022 04:48

Przydał by się również artykuł mówiący jak zawalczyć z dystrybutorem energii o obniżenie napięcia w sieci. Taki poradnik krok po kroku, jakie podjąć kroki, jak napisać pismo.

Piotr
Piotr
11 września 2022 06:46

Należy tworzyć magazyny w ergii, ale w postaci zbiorników z ciepłą wodą, nagrzaną do 80 stopni (tyle wytrzymuje zwykły zbiornik który ludzie mają w domu). Produkcja w ciągu dnia pmpa plus od 55 stopni wzwyż grzałką elektryczną. Prąd z fotowoltaiki to koszt kilowata ok. 15 groszy. Z sieci w nocy dla pompy ciepła to koszt 1 zł od stycznia 23 r. Jaki jest sens wysyłać prąd do OSD i kupować go 7 razy drożej w nocy ? Ten sam schemat e zwartej zabudowie. Duży zbiornik na kilka domów. Zbiornik i przesył ciepła to żadne problem. Robię to w swojej firmie […]. Przykładowy koszt u klienta 4 miesiące 2700 zł dla pompy ciepła za prąd. Że zbiornikiem jeśli się już ma swój prąd jak myślicie ile ? 😉 To się porostu opłaca i aż dziw, że nie piszecie o tym szanowni państwo doktorzy. Pozdrawiam. Piotr.

Komentarz edytowany przez Redakcję.

Jakub i Bartłomiej
Jakub i Bartłomiej
21 września 2022 12:02
Odpowiedz do:  Piotr

Oczywiście, ma Pan rację, że przetworzenie własnego prądu na ciepło, którego wszak i tak potrzebujemy jest rozsądnym rozwiązaniem. Można wskazać obiekty, w których występuje tak zaharmonogramowane zapotrzebowanie na ciepło, że wskazany przez Pana sposób zagospodarowania energii sprawdzi się.
Niemniej jednak:
1. Nie sposób wskazać, kto w budynku jednorodzinnym w okresie letnim potrzebowałby ilości ciepła. 4 osobowa rodzina zużyje na ciepłą wodę użytkową 5, może 6 kWh na dobę, podczas gdy produkcja dzienna może wynosić w przeciętnej przydomowej elektrowni 40-50 kWh. Tak więc łatwo policzyć, że o ile w pierwszy dzień taki magazyn ciepła zadziała, o tyle w kolejnych kilku dobach będzie „zapchany” i nie przyjmie energii – wracamy do punktu wyjścia i to jest zasadniczy problem.
2. Sąsiedzi też nie potrzebują ciepła i mają nadmiar prądu, więc transport ciepła musiałby być realizowany na większe odległości do zakładów generujących zapotrzebowanie na ciepło, które też trudno wskazać w terenie podmiejskim.
3. Co prawda, tak jak Pan wspomniał, technicznie dobrze radzimy sobie z przesyłem ciepła, jednak nadal potrzebujemy do tego celu ciepłociągi, które w zabudowie jednorodzinnej w Polsce praktycznie nie istnieją. Budowanie ich od zera, w szczególności na potrzeby zagospodarowania tego typu nadwyżek nie znajduje obecnie uzasadnienia ekonomicznego.
4. Dodatkowo, proste wpięcie grzałki, która nie miałaby szans na efektywne obniżenie napięcia w instalacji domowej naraża użytkownika na sytuację, w której nie tylko nie zużyje własnego prądu (napięcie dla inwertera nadal będzie zbyt wysokie), a do tego kupi energię elektryczną z sieci w niekorzystnych cenach. Tak więc wymagane byłoby zastosowanie inwertera hybrydowego, który mógłby przechodzić w tryb off-grid i zasilać w ten sposób grzałki lub dodatkowych urządzeń wykorzystujących wprost energię w modułów PV, co jest dodatkowym kosztem i ingerencją.

Jakub Jurasz i Bartłomiej Ciapała
autorzy artykułu