Fotowoltaika. Urządzenia, instalacje fotowoltaiczne i elektrycz

Podręcznik kierujemy do uczniów, studentów, słuchaczy, instalatorów, inwestorów, pragnących pogłębić swoją wiedzę z zakresu instalacji fotowoltaicznych i elektrycznych. Informacje w nim zawarte są oparte na bogatym doświadczeniu naukowym i technicznym autorów tej pracy. Mamy nadzieję, że informacje które przedstawiliśmy w książce zainteresują także szersze grono czytelników, głównie osób pragnących w przyszłości wykonywać instalacje fotowoltaiczne. Dedykujemy ją również inwestorom (prosumentom) korzystającym z instalacji fotowoltaicznych, produkując prąd "ze słońca" na własne potrzeby, a nadwyżki sprzedając do sieci energetycznej.

Treść tej książki pozwoli odpowiedzieć na wiele pytań dotyczących budowy, montażu, eksploatacji mikroinstalacji fotowoltaicznych. Szeroki przekrój zagadnień podany przejrzyście i w nowoczesnym układzie powinien ułatwić korzystanie z podręcznika. W poszczególnych rozdziałach książki usystematyzowaliśmy aktualną wiedzę dotyczącą fotowoltaiki i instalacji elektrycznych, popartą własnymi badaniami.


Spis treści

Od autorów / 11

Perspektywy rozwoju fotowoltaiki w Polsce / 15
Wykaz wybranych oznaczeń, wielkości i ich jednostek / 18
Symbole graficzne wg PN-EN 60617 stosowane w schematach elektrycznych / 21

MODUŁ I Bezpieczeństwo i higiena pracy. Ochrona przeciwpożarowa / 33
1. Bezpieczeństwo i higiena pracy (BHP) / 33
2. Instrukcje BHP / 33
3. BHP a ergonomia / 33
4. Stanowisko pracy / 34
5. Elementy stanowiska pracy / 34
6. Zadania służb BHP / 35
7. Pierwsza pomoc / 35
8. Bezpieczeństwo wykonywania prac przy urządzeniach elektrycznych / 36
9. Sprzęt ochronny / 37
10. Sposoby ratowania porażonych prądem elektrycznym / 38
11. Ochrona przeciwpożarowa / 40
12. Prewencja pożarowa / 40
13. Zapobieganie pożarom / 41
14. Sposoby ratowania osoby poszkodowanej w pożarze / 41
15. Czynności ratujące / 42

MODUŁ I Rysunek techniczny / 43
1. Znaczenie rysunku w przekazywaniu informacji / 43
2. Rodzaje rysunków technicznych / 44
3. Wymiary i kształt arkuszy rysunkowych / 44
4. Obramowanie / 45
5. Tabliczka rysunkowa / 45
6. Podziałki rysunków / 46
7. Rodzaje linii rysunkowych / 46
8. Rodzaje rzutów aksonometrycznych i ich zastosowanie / 47
9. Rzutowanie prostokątne / 47
10. Układ trzech rzutni / 48
11. Wymiarowanie / 50
12. Podstawowe zasady wymiarowania / 52
13. Wymiarowanie wg układu współrzędnych / 53
14. Przekroje / 54
15. Oznaczanie przekrojów / 55
16. Pismo techniczne / 55
17. Rysunki schematyczne / 55
18. Wykresy i odczytywanie wykresów / 56

MODUŁ III Podstawy elektrotechniki / 57
1. Prąd stały / 57
1.1. Prąd elektryczny / 57
1.2. Napięcie elektryczne / 58
1.3. Obwody elektryczne / 58
1.4. Prawo Ohma / 59
1.5. Obliczanie rezystancji / 59
1.6. Łączenie rezystorów / 59
1.7. Zależność rezystancji od temperatury / 60
1.8. Źródła prądu stałego / 60
1.9. Prawa obwodu elektrycznego / 61
1.9.1. Pierwsze prawo Kirchhoffa / 61
1.9.2. Drugie prawo Kirchhoffa / 62
1.10. Stany pracy źródeł energii elektrycznej / 62
1.11. Moc prądu stałego / 62
1.12. Energia prądu stałego / 63
1.13. Prawo Joule’a – Lenza / 64
2. Prąd przemienny jednofazowy / 64
2.1. Analiza obwodów zawierających elementy R, L, C. / 65
2.1.1. Obwód elektryczny z rezystancją / 65
2.1.2. Obwód elektryczny z cewką o indukcyjności L (reaktancją indukcyjną) / 66
2.1.3. Obwód elektryczny z kondensatorem o pojemności C (reaktancją pojemnościową) / 67
2.1.4. Obwód elektryczny szeregowy z elementami R, L, C / 68
2.1.5. Obwód elektryczny równoległy z elementami R, L, C  / 69
3. Kondensatory / 71
3.1. Pojemność kondensatora / 71
3.2. Łączenie kondensatorów / 72
4. Moc prądu przemiennego jednofazowego / 72
4.1. Moc czynna / 72
4.2. Moc bierna / 73
4.3. Moc pozorna / 74
5. Układy trójfazowe / 74
5.1. Układ połączeń odbiorników w gwiazdę / 74
5.2. Układ odbiorników połączonych w trójkąt / 75
6. Pomiar mocy w układach 3 fazowych / 76
7. Pomiar energii w obwodach trójfazowych / 77
8. Zdęcia przedstawiające autorów podręcznika w czasie zajęć laboratoryjnych z podstaw elektrotechniki z uczniami, studentami, słuchaczami w pracowni elektrycznej / 79

MODUŁ IV Urządzenia i instalacje elektryczne / 81
1. Oznaczenia przewodów i zacisków / 81
1.1. Wybrane oznaczenia kabli i przewodów według normy PN: 60446 / 83
1.2. Przekroje przewodów / 84
1.3. Wybrane przykłady oznaczeń przewodów / 84
1.4. Podział przewodów ze względu na pełnioną funkcję / 85
1.5. Oznaczenia przewodów i zacisków odbiorników / 85
2. Łączenie przewodów / 86
3. Wybrane zagadnienia ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach elektrycznych do 1 kV / 87
3.1. Oddziaływanie prądu elektrycznego na organizm ludzki / 87
3.2. Warunki środowiskowe / 88
3.3. Stopnie ochrony obudów urządzeń elektrycznych / 89
3.4. Klasy ochronności urządzeń elektrycznych i elektronicznych / 90
3.5. Napięcia i układy sieciowe / 90
3.6. Układy sieci / 91
3.7. Charakterystyka układów sieciowych / 92
4. Środki ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym przy eksploatacji urządzeń elektroenergetycznych / 94
4.1. Rodzaje ochron przeciwporażeniowych / 94
4.1.1. Równoczesna ochrona przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim / 94
4.1.2. Ochrona przed dotykiem bezpośrednim (ochrona podstawowa) / 96
4.2. Ochrona przed dotykiem pośrednim (ochrona dodatkowa) / 97
4.2.1. Ochrona przez zastosowanie samoczynnego wyłączenia zasilania / 97
4.2.2. Wyłączniki nadmiarowo-prądowe / 98
4.3. Urządzenia ochronne różnicowoprądowe / 101
4.4. Ochrona przed dotykiem pośrednim przez samoczynne wyłączenie zasilania w układzie sieciowym TN / 108
4.5. Ochrona przez zastosowanie urządzenia II klasy ochronności / 110
4.6. Ochrona przez zastosowanie izolowania stanowiska / 111
4.7. Ochrona przez zastosowanie separacji elektrycznej / 111
4.8. Ochrona przez zastosowanie nieuziemionych połączeń wyrównawczych miejscowych / 113
4.9. Połączenia wyrównawcze / 114
5. Przewody ochronne, ochronno-neutralne i wyrównawcze / 116
6. Uziomy i przewody uziemiające / 117
6.1. Uziomy naturalne / 118
6.2. Uziomy sztuczne / 118
7. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi / 121
8. Przyłączanie urządzeń elektrycznych / 124
9. Zasilanie budynku / 125
10. Instalacje elektryczne w mieszkaniach i budynkach mieszkalnych / 125
11. Wybrane zasady wykonania instalacji elektrycznej w budynku / 130
12. Eksploatacja instalacji elektrycznych / 131
13. Pomiar ciągłości przewodów / 133
14. Pomiar rezystancji izolacji instalacji elektrycznej / 133
15. Pomiar rezystancji izolacji podłóg i ścian / 135
16. Pomiar rezystancji uziomu / 136
17. Sprawdzenie skuteczności ochrony przed dotykiem pośrednim przez samoczynne wyłączenie zasilania / 136
18. Sprawdzanie działania urządzeń ochronnych różnicowoprądowych / 139
19. Protokół odbiorczy / 139
20. Ogólne zasady eksploatacji urządzeń elektroenergetycznych / 140
21. Dokumentacja techniczna / 141
22. Przyjmowanie urządzeń do eksploatacji / 142
23. Prowadzenie eksploatacji urządzeń elektroenergetycznych / 142
24. Kontrola eksploatacji / 143
25. Zdęcia przedstawiające autorów podręcznika w czasie zajęć laboratoryjnych z urządzeń elektrycznych z uczniami, studentami, słuchaczami w pracowni urządzeń / 143

MODUŁ V Technologia wykonania i logistyka robot instalacyjnych / 145
1. Kosztorysy – rodzaje i sposoby obliczeń / 145
1.1. Kosztorys inwestorski / 146
1.2. Kosztorys ofertowy / 146
1.3. Kosztorys zamienny / 148
1.4. Kosztorys powykonawczy / 148
1.5. Rodzaje kalkulacji kosztorysowej / 149
1.5.1. Kalkulacja uproszczona / 149
1.5.2. Kalkulacja szczegółowa / 150
2. Oferty w postępowaniu o udzielenie zamówienia publicznego / 151
2.1. Treść projektu oferty / 151
3. Specyfikacja Istotnych Warunków Zamówienia (SIWZ) / 152
4. Przekazywanie SIWZ dla wykonawców / 153
5. Przykładowa specyfikacja wykonania i odbioru robót i materiałów instalacyjnych / 153
5.1. Przedmiot zamówienia / 154
5.2. Przedmiot i zakres robót instalacyjnych / 154
5.3. Prace towarzyszące i roboty tymczasowe / 154
5.4. Teren budowy / 154
5.4.1. Organizacja robót / 154
5.4.2. Harmonogram robót / 154
5.4.3. Wprowadzenie na budowę / 155
5.4.4. Koordynacja robót / 155
5.4.5. Zabezpieczenie interesów osób trzecich / 156
5.4.6. Ochrona środowiska i zdrowia ludzi / 156
5.4.7. Bezpieczeństwo i higiena pracy / 157
5.4.8. Zaplecze budowy / 157
5.4.9. Organizacja ruchu / 158
5.4.10. Ogrodzenie / 158
5.4.11. Zabezpieczenie chodników i jezdni / 158
6. Wymagania dotyczące wyrobów instalacyjnych / 158
7. Wymagania dotyczące sprzętu i maszyn / 159
8. Wymagania dotyczące środków transportu / 159
9. Sposób wykonania robót instalacyjnych / 160
10. Kontrola oraz odbiór robót instalacyjnych / 160
11. Wymagania dotyczące przedmiaru i obmiaru robót / 162
12. Odbiór robót i przekazanie do użytku / 164
13. Sposób rozliczenia robót tymczasowych i prac towarzyszących / 165
14. Dokumenty normy i przepisy / 165

MODUŁ VI Energetyka słoneczna / 167
1. Energia słoneczna / 167
2. Atmosfera Ziemi / 168
3. Oddziaływanie atmosfery z promieniowaniem / 168
4. Wielkość energii słonecznej na Ziemi / 169
5. Nasłonecznienie w Polsce / 170
6. Zalety promieniowania słonecznego jako źródła energii / 170
7. Wady promieniowania słonecznego jako źródła energii / 170
8. Sposoby produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem energii słonecznej / 171
8.1. Metoda heliotermiczna / 171
8.2. Metoda helioelektryczna / 172
9. Wiadomości wstępne z optoelektroniki / 173

MODUŁ VII Budowa, zasada działania fotoogniw (PV) / 175
1. Budowa i zasada działania ogniw krzemowych / 175
2. Podział ogniw PV / 176
3. Ogniwa z krzemu monolitycznego / 176
3.1. Budowa fotoogniwa / 176
3.2. Technologia wytwarzania fotoogniwa / 177
3.3. Przykłady krzemowych modułów fotowoltaicznych / 178
4. Ogniwa polikrystaliczne / 182
4.1. Budowa fotoogniwa / 182
4.2. Rozwiązania konstrukcyjne fotomodułów płaskich polikrystalicznych / 182
5. Ogniwa polikrystaliczne cienkowarstwowe / 184
5.1. Budowa fotoogniwa / 184
5.2. Technologia wytwarzania ogniwa PV / 184
6. Ogniwa z krzemu amorficznego / 185
6.1. Budowa i technologia wytwarzania fotoogniwa / 185
7. Ogniwa cienkowarstwowe jedno- i wielozłączowe z arsenku galu / 187
7.1. Budowa i technologia wytwarzania / 187
7.2. Przykład rozwiązania konstrukcyjnego / 188
8. Ogniwa fotowoltaiczne z materiałów organicznych / 188
8.1. Budowa i technologia wytwarzania / 188
8.2. Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne ogniw PV, na podłożu polimerowym / 189
8.3. Parametry polimerowych ogniw PV / 191
8.4. Sposoby produkcji / 192
9. Ogniwa fotowoltaiczne uczulane barwnikiem / 192
9.1. Zasada działania / 192
9.2. Budowa, parametry ogniwa / 192
10. Hybrydowe panele słoneczne / 193
10.1. Zasada działania / 193
10.2. Budowa urządzenia / 194
11. Dwustronne baterie słoneczne / 195
12. Utrata mocy fotoogniw funkcji czasu pracy / 195
12.1. Dioda bocznikująca fotoogniwo (by-pass) / 195
13. Gorący punkt (hot spot) / 198
13.1. Napięcie indukowane w module PID (Potential Induced Degradation) / 199

MODUŁ VIII Analiza pracy fotoogniwa / 201
1. Podstawowe zależności / 201
2. Wpływ temperatury na parametry fotoogniwa / 203
3. Sposoby połączeń modułów PV / 205
4. Wpływ promieniowania słonecznego na parametry modułu fotowoltaicznego / 206
5. Wybrane wyniki badań modułów fotowoltaicznych / 207
6. Wybrane wyniki badań instalacji fotowoltaicznej „podążającej za słońcem” / 210
7. Zdęcia przedstawiające autorów podręcznika w czasie zajęć laboratoryjnych z uczniami, studentami, słuchaczami / 212

MODUŁ IX Parametry osprzętu instalacji PV / 221
1. Regulatory ładowania / 221
2. Przetwornice napięcia / 222
2.1. Przykładowe rozwiązanie / 223
2.2. Parametry elektryczne pracy falownika 1-fazowego / 223
2.3. Falowniki 3-fazowe / 224
3. MPP traker / 226
4. Modem komunikacyjny / 227
4.1. Zasada działania / 227
4.2. Charakterystyka urządzeń / 227
5. Sposób łączenia przewodów po stronie DC / 229
6. Mierniki instalacji fotowoltaicznych / 229

MODUŁ X Dobór parametrów instalacji fotowoltaicznych  / 233
1. Rodzaje instalacji PV / 233
2. Mała instalacja fotowoltaiczna / 233
3. Wybrane układy połączeń fotoogniw / 236
3.1. Sieć autonomiczna (wydzielona) / 236
3.2. Praca elektrowni PV na sieć „sztywną” / 237

MODUŁ XI Wytyczne montażowe / 239
1. Etapy realizacji inwestycji / 239
2. Projekt techniczny / 239
3. Etapy budowy / 239
4. Zagadnienia techniczne montażu instalacji / 240
5. Sposób montażu ogniw PV w rzędach / 242
6. Ochrona odgromowa instalacji fotowoltaicznych / 244
6.1. Ochrona odgromowa – rodzaje ochrony / 245
6.2. Ochrona odgromowa – ochrona zewnętrzna / 245
6.3. System ochronny instalacji PV bez zewnętrznej ochrony odgromowej (zwodów pionowych) – ochrona wewnętrzna / 247
7. Odbiór instalacji / 249

MODUŁ XII BHP przy montażu instalacji fotowoltaicznej / 251
1. Zasady BHP przy montażu instalacji fotowoltaicznych / 251
2. Kompletność dostawy materiałów i urządzeń / 252
3. Transport i składowanie / 252
4. Dokumentacja techniczna / 253
5. Narzędzia i sprzęt dodatkowy / 253
6. Informacje ogólne / 253
7. Przepisy bezpieczeństwa / 253
8. Ochrona przeciwporażeniowa / 254
9. Ochrona przeciwpożarowa / 254
10. Bezpieczeństwo wykonywania prac przy urządzeniach elektrycznych / 254
11. Oznaczenia i symbole / 255

MODUŁ XIII Montaż instalacji fotowoltaicznej / 257
1. Systemy montażowe dla modułów skrzynkowych / 257
1.1. Montaż na dachu spadzistym / 257
1.2. Montaż ogniw PV na dachu płaskim lub płaszczyźnie poziomej / 259
1.3. Sposób montażu modułów / 260
1.4. Eliminacja prądów upływu i szczątkowego / 261
1.5. Sposoby montażu fotoogniw polimerowych elastycznych na dachu płaskim / 261
1.6. Montaż fotoogniw „podążających za słońcem” / 263
1.7. Inne rozwiązania techniczne montażu instalacji fotowoltaicznych / 264
2. Przykłady nieprawidłowego montażu modułów fotowoltaicznych / 265
3. Zdjęcia przedstawiające montaż modułów fotowoltaicznych na płaszczyźnie poziomej / 265
4. Przykład montażu modułu fotowoltaicznego na konstrukcji drewnianej w warunkach laboratoryjnych / 267
5. Zdjęcia przedstawiające autorów podręcznika z uczniami ZSE nr 1 w czasie wykonywania pomiarów parametrów energetycznych modułów fotowoltaicznych / 268
6. Montaż instalacji fotowoltaicznej na konstrukcji aluminiowej na dachu płaskim / 269
7. Montaż instalacji fotowoltaicznej na dachu spadzistym pokrytym dachówką betonową / 272
8. Montaż instalacji fotowoltaicznej na konstrukcji aluminiowej na dachu płaskim pokrytym blachą falistą / 275
9. Montaż instalacji fotowoltaicznej na dachu spadzistym pokrytym blachodachówką / 276

MODUŁ XIV Eksploatacja instalacji fotowoltaicznych / 277
1. Wymiana uszkodzonego modułu / 277
2. Mycie instalacji fotowoltaicznej / 277
3. Sprawdzenie mocowania paneli / 277
4. Usuwanie śniegu / 278
5. Stan przewodów zasilających w instalacji prądu stałego (DC) / 278
6. Sprawdzenie stanu technicznego falownika / 279
7. Czynniki wpływające ujemnie na produkcję energii z elektrowni fotowoltaicznej / 279

MODUŁ XV Przykładowy projekt budowlano-wykonawczy / 281
Procedury formalno-prawne związane z budową instalacji fotowoltaicznej / 281

MODUŁ XVI Zanieczyszczenie środowiska i jego wpływ na klimat / 321

MODUŁ XVII Egzamin teoretyczny dla instalatorów instalacji fotowoltaicznych / 325
1. Przebieg testowania / 325
2. Przykładowy test wielokrotnego wyboru z jedną poprawną odpowiedzią, standaryzowany / 326
3. Przykładowa karta odpowiedzi / 333

MODUŁ XVIII Egzamin praktyczny dla instalatorów instalacji fotowoltaicznych / 335
1. Przebieg testowania / 335
2. Przykładowe tematy zadań praktycznych dotyczących montażu i eksploatacji instalacji fotowoltaicznych / 336
3. Przykładowa karta odpowiedzi / 339

Literatura / 341