Konstrukcje do montażu paneli fotowoltaicznych
Przegląd dostępnych rozwiązań
Przykład zastosowania konstrukcji na dach płaski w orientacji południowej. System mieszany: balastowy oraz wklejany, fot. BAKS
Branża fotowoltaiczna dynamicznie się rozwija – coraz więcej firm i osób prywatnych decyduje się na montaż własnej instalacji. Aby przedsięwzięcie to było sensowne i opłacalne, trzeba dobrze rozważyć, gdzie taką instalację zamontować i w jaki sposób to zrobić. Ważną kwestią jest więc wybór odpowiedniej konstrukcji do montażu instalacji PV.
W artykule:
|
W maju 2022 r. produkcja energii elektrycznej z fotowoltaiki w naszym kraju osiągnęła rekordowo wysoki poziom 1,213 tys. GWh. Z kolei w dniu 7 września 2022 r. po godzinie 12 zainstalowane w Polsce elektrownie fotowoltaiczne pracowały z mocą ponad 6,71 GW – była to najwyższa generacja w historii polskiej fotowoltaiki. Miejmy nadzieję, że jest to już stały trend, który w znacznym stopniu wzmocji polską elektroenergetykę. Elektrownie fotowoltaiczne dają bowiem wiele korzyści – przede wszystkim nie szkodzą środowisku, a uzyskiwana z nich energia jest znacznie tańsza niż ta pochodząca ze spalania tradycyjnych paliw.
Każda instalacja fotowoltaiczna składa się z kilku elementów. Są to: moduły (panele) fotowoltaiczne, inwerter (inaczej falownik), który zamienia pozyskiwany z instalacji prąd stały na prąd zmienny, okablowanie i konstrukcja wsporcza, na której zamocowane są panele. Konstrukcja ta pełni niezwykle ważną funkcję, ponieważ tworzy szkielet, który utrzymuje całą instalację. Dobrze dobrana, wykonana i umocowana zapewnia nie tylko optymalne ułożenie modułów względem stron świata oraz optymalny kąt padania promieni słonecznych, ale także stabilność całej instalacji, jej trwałość i odporność na szkodliwe czynniki atmosferyczne oraz bezawaryjną i bezobsługową eksploatację przez długi czas.
Jak wybrać najlepszą konstrukcję
Istnieje kilka rodzajów konstrukcji do paneli fotowoltaicznych – w zależności od miejsca ich montażu (dach lub grunt), rodzaju dachu (płaski lub skośny) oraz typu jego pokrycia (blachówka, dachówka, gont, blacha trapezowa, papa itp.), a także materiału, z którego jest wykonana sama konstrukcja. Materiał ten musi być trwały, odporny na korozję i zapewniać bezpieczeństwo całej instalacji PV. Bardzo dobrymi opiniami cieszą się zwłaszcza systemy wsporcze wykonane z aluminium albo stali nierdzewnej i pokryte innowacyjną powłoką Magnelis®, która chroni przed korozją znacznie lepiej i dłużej niż wyroby ocynkowane. Decydującym czynnikiem jest wyjątkowy skład materiału Magnelis® (3% magnezu i 3,5% aluminium), co w efekcie daje bardzo zwartą, stabilną i trwałą powłokę ochronną. Końcowym rezultatem jest bardzo skuteczna ochrona antykorozyjna nawet w najbardziej wymagającym i niesprzyjającym środowisku. W Polsce stosowane są też inne powłoki alternatywne do Magnelisu tj. Magi Zinc (Tata Steel), Posmac (Posco). Konstrukcje wolnostojące ze stali ocynkowanej ogniowo są obecnie jednymi z najdroższych na rynku ze względu na wysokie ceny stali oraz usług cynkowania ogniowego. Powłoki te wykazują słabsze parametry antykorozyjne niż powłoki Magnelis. Oprócz tego w sprzedaży można też spotkać konstrukcje ze stali kwasoodpornej czy galwanizowanej.
Wybierając konkretny produkt, warto sprawdzić, czy posiada on certyfikaty potwierdzające wysoką jakość (np. certyfikat TÜV Rheinland) albo spełnia wymagane normy – w przypadku konstrukcji pod panele fotowoltaiczne najważniejszą normą jest europejska norma EN 1090-1:2009+A1:2011.
Na co jeszcze zwracać uwagę przed zakupem? Każda konstrukcja pod panele fotowoltaiczne składa się z kilku części – w zależności od modelu mogą być to większe lub mniejsze segmenty, które są ze sobą później łączone. Jeżeli fragmenty segmentów konstrukcji PV są ze sobą zespawane, to trzeba zwrócić uwagę na regularność spoiny spawalniczej. Dobrze zespawana konstrukcja PV powinna być przez lata odporna na silne porywy wiatru. Kolejną ważną rzeczą jest spasowanie samych segmentów konstrukcji – po złożeniu musi być ona stabilna, ponieważ chwiejny stelaż PV nie będzie w stanie utrzymać pożądanego kąta nachylenia paneli oraz stwarza zagrożenie dla mieszkańców obiektu. Ryzyko zerwania paneli fotowoltaicznych występuje również w przypadku nieodpowiedniego dopasowania rozmiaru klem końcowych do grubości modułów.
Także akcesoria do instalacji fotowoltaicznej muszą być najwyższej jakości – ważny jest zarówno wybór kabli, które zapewnią bezpieczne i szybkie poprowadzenie okablowania elektrycznego, jak też korytek kablowych do właściwego zarządzania przewodami, ponieważ nieodpowiednie zarządzanie może doprowadzić do poważnych problemów. Korytka kablowe muszą być bardzo trwałe, aby nawet przy wieloletniej eksploatacji gwarantowały skuteczne zabezpieczenie przewodów, m.in. przed czynnikami zewnętrznymi (np. koryta kablowe Baks wykonane ze stali w powłoce Magnelis).
Konstrukcje dachowe
Decydując się na montaż paneli fotowoltaicznych na dachu, bezwzględnie należy wziąć pod uwagę stan techniczny dachu oraz całego budynku, dobry dostęp do powierzchni dachu oraz otoczenie budynku – wysokie drzewa czy bloki mieszkalne znajdujące się w sąsiedztwie instalacji PV mogą bowiem powodować okresowe zacienienie paneli fotowoltaicznych, przez co ich praca stanie się mniej wydajna.
Konstrukcje na dachy skośne
Konstrukcje fotowoltaiczne na dachu skośnym montować można zarówno wtedy, gdy jest on pokryty blachodachówką, dachówką ceramiczną, blachą trapezową, blachą łączoną na rąbek, jak i papą czy gontem bitumicznym. W zależności od rodzaju pokrycia dachowego należy wybrać odpowiedni system montażowy. Konstrukcje fotowoltaiczne na dachy skośne są inwazyjne, to znaczy system mocowania wymaga ingerencji w poszycie dachowe – są mocowane do dachu za pomocą śrub, wkrętów lub szpilek. Na przykład montaż konstrukcji na dachu pokrytym blachodachówką może odbywać się za pomocą wkrętów z podwójnym gwintem – to specjalnie wykonane śruby mocowane do krokwi drewnianych, które przechodzą przez powierzchnię blachy. Na śrubę przykręcany jest adapter, na którym montowana jest szyna w postaci profilu aluminiowego, która stanowi podstawę do montażu modułów fotowoltaicznych. Śruby i nakrętki uchwytów wykonane są zwykle ze stali nierdzewnej. Uszczelnienie powierzchni dachu zapewniają np. podkładki z gumą EPDM, dokręcane nakrętkami.
Na dachach pokrytych blachą trapezową konstrukcje fotowoltaiczne są mocowane bezpośrednio do poszycia. W przypadku dachów pokrytych papą lub gontem bitumicznym popularnym rozwiązaniem są uchwyty (haki) ze stali nierdzewnej w kształcie litery L, które są przykręcane bezpośrednio do drewnianej konstrukcji dachu. Zazwyczaj stosuje się wtedy dodatkowe uszczelnienia pomiędzy podłożem bitumicznym a dolną powierzchnią haka. Elementy montażowe, które są wykorzystywane do montażu konstrukcji fotowoltaicznych – klemy, szyny, łączniki itd. – też oczywiście muszą być dobrze zabezpieczone przed korozją, np. wykonane z anodowanego aluminium.
Istotny jest również materiał, z którego wykonana jest konstrukcja – musi być ona odporna na działanie czynników atmosferycznych, ale powinna też utrzymać ciężar przymocowanych do nich modułów PV.
Instalacja fotowoltaiczna na dachu skośnym, fot. Bruk-Bet Nieciecza
Montaż paneli do konstrukcji wsporczej zainstalowanej na dachu skośnym, fot. Solar Panels
Konstrukcje na dachy płaskie
Głównym zadaniem takiej konstrukcji jest uzyskanie odpowiedniego kąta nachylenia paneli fotowoltaicznych. W przypadku dachów płaskich można wybierać między systemami inwazyjnymi – co wymaga dużej precyzji przy nawiercaniu otworów oraz dokładnego doszczelnienia tych miejsc po montażu – a systemami nieinwazyjnymi, czyli bez ingerencji w poszycie.
Nieinwazyjnym typem konstrukcji są systemy balastowe (dociążane). Ich montaż jest łatwiejszy i mniej ryzykowny, ponieważ nie muszą być one przykręcane do dachu – odpowiednie trzymanie i stabilność zapewniają betonowe bloczki obciążające konstrukcję. Jednak trzeba pamiętać o tym, że w takim przypadku dach musi unieść dodatkowe obciążenie.
Wielkość balastu na dachu płaskim powinna być potwierdzona przez konstruktora z uprawnieniami, z uwzględnieniem strefy wiatrowej, w której ma się znajdować instalacja. Dopiero po ustaleniu wielkości balastu należy dobierać sposób przytwierdzenia konstrukcji do poszycia dachu. Największy balast występować będzie na obrzeżach dachu, najmniejszy natomiast w jego głębi.
Przykład zastosowania konstrukcji na dach płaski w orientacji południowej. System mieszany: balastowy oraz wklejany, fot. BAKS
Do wykonania prawidłowego i bezpiecznego projektu instalacji fotowoltaicznej na dach płaski można użyć specjalnie przeznaczonego do tego narzędzia, jakim jest Solar-Planit. Dzięki temu programowi, wprowadzając odpowiednie dane, można wyliczyć wiele ważnych parametrów, takich jak obciążenie kg/m2, nacisk na poszycie dachu w kN w konkretnych sekcjach oraz sporządzić plan balastowania.
Bezpłatne narzędzie do planowania instalacji PV, oparte na przeglądarce internetowej, fot. BayWare Solar Systems
Konstrukcja montażowa novotegra na dachy płaskie oferuje elastyczny montaż i proste balastowanie z orientacją południową lub wschód–zachód (montaż jednowarstwowy i dwuwarstwowy). Elementy systemu wykonane są z wysokiej jakości materiałów, testowanych w tunelach aerodynamicznych. Zaletą systemu novotegra jest jedna z najszerszych na rynku szyna podstawowa z zaokrąglonymi krawędziami, która pozwala równomiernie przenieść nacisk balastu na poszycie dachu, np. membranę, minimalizując ryzyko jego uszkodzenia. Możliwy jest także specjalnie opracowany system montażu na dachy zielone.
Konstrukcja montażowa novotegra na dachu płaskim, fot. BayWare Solar Systems
Montaż konstrukcji novotegra, źródło: www.meraner-hauser.com
Istnieją również systemy samonośne, które nie wymagają przykręcania konstrukcji do powierzchni dachu ani dużej ilości balastu dociążającego, bo ich aerodynamiczna budowa pozwala na zastosowanie dociążenia jedynie na obrzeżach instalacji. Wysoka aerodynamika wiąże się jednak z koniecznością zastosowania niskich kątów nachylenia (maksymalnie 15°). Nowatorskim rozwiązaniem wśród systemów samonośnych są konstrukcje montowane bezinwazyjnie – poprzez klejenie lub zgrzewanie – na dachach płaskich pokrytych membraną hydroizolacyjną.
Konstrukcja na dachy płaskie przeznaczona do paneli z wymaganym montażem po długim boku panelu. Konstrukcja może być balastowa, wklejana lub kotwiona, fot. BAKS
System Corab PB-068 – konstrukcja balastowa na dach płaski, wykonana z wysokiej klasy aluminum oraz stali nierdzewnej. Pozwala na orientację modułów na południe, fot. Corab
Konstrukcje na elewację budynku
W niektórych budynkach nie można zamontować instalacji fotowoltaicznej na dachu ze względu na jego kształt lub niewystarczającą nośność albo zły stan techniczny. Wtedy można rozważyć montaż fotowoltaiki na elewacji. Wymaga to użycia specjalnych mocowań, ponieważ standardowe uchwyty nie zapewnią odpowiedniego zamocowania – panele montuje się na systemach stelażowych lub kasetonach. Pomiędzy konstrukcją nośną a panelami powinna znajdować się pusta przestrzeń zapewniająca prawidłową wentylację i chroniąca instalację przed przegrzaniem. Na ścianie budynku trudno osiągnąć nachylenie paneli PV pod kątem 30° czy większym, ale nawet panele zamieszczone pionowo mogą generować wystarczającą ilość energii na potrzeby jednorodzinnego gospodarstwa domowego.
Przykład montażu fotowoltaiki na elewacji, fot. PG Solar
Konstrukcje wolnostojące
To rozwiązanie stosowane wtedy, gdy nie ma możliwości zainstalowania fotowoltaiki na dachu. Konstrukcje wolnostojące mają swoje zalety, umożliwiają np. optymalne ułożenie paneli względem stron świata i czerpanie korzyści z energii słonecznej nawet w sytuacji, gdy nie mamy dachu skierowanego na południe. Taki montaż sprawia również, że moduły fotowoltaiczne mają większą wentylację, dzięki czemu nie przegrzewają się. Także dostęp do nich jest łatwiejszy niż do paneli umieszczonych na dachu – to ważne, bo chociaż instalacja fotowoltaiczna jest bezobsługowa i samoczyszcząca, dostęp do niej jest niezbędny.
Montaż tego typu konstrukcji wsporczych wymaga jednak zwykle większej powierzchni działki i zazwyczaj jest też bardziej kosztowny, co wiąże się z odpowiednim przygotowaniem terenu i osadzeniem całej konstrukcji na stabilnym gruncie.
Konstrukcje wolnostojące to także jedyna możliwość zastosowania paneli bifacjalnych, których z oczywistych względów nie montuje się na dachach. Panele bifacjalne, czyli dwustronne, mają warstwę aktywną z obu stron, a więc absorbują światło, które pada na nie bezpośrednio, jak również światło odbite, które dociera do nich z drugiej strony („od spodu”).
W tej sytuacji odpowiednia konstrukcja ma szczególne znaczenie i musi być dobrze przemyślana – powinna mieć układ podpór niezasłaniających modułów fotowoltaicznych od spodu. Trzeba pamiętać o tym, że im wyżej będą zamontowane panele, tym lepiej, zwłaszcza na maksymalnie płaskim podłożu. Istnieją trzy podstawowe sposoby ustawienia paneli dwustronnych względem słońca: pionowo na osi wschód–zachód, standardowo (w kierunku południowym) i na jednoosiowym systemie nadążnym (trackerze). Optymalne jest to drugie ustawienie, zarówno pod kątem wydajności, jak i kosztu montażu. W takiej pozycji tylna strona paneli może dodatkowo generować nawet do 25% uzysku energii. Najbardziej wydajnym, ale też najbardziej kosztownym sposobem jest zamontowanie paneli na jednoosiowym systemie nadążnym.
Konstrukcje wbijane lub wkręcane w grunt
Najszybsze w montażu są konstrukcje montowane poprzez wbijanie profili stalowych w grunt. Jeśli konstrukcja ma być postawiona na gruncie o niskiej nośności, np. na piasku, jej montaż będzie trudniejszy – konieczne będzie zastosowanie dłuższych, kilkumetrowych profili, które są wbijane w ziemię za pomocą specjalnego sprzętu. Na gruntach o niższej nośności lepiej sprawdzą się systemy wkręcane, które łatwiej się montuje na takim podłożu.
Konstrukcje mocowane do fundamentu
Gdy podłoże nie jest wystarczająco stabilne, konstrukcję trzeba umocować na betonowym fundamencie. Można to zrobić, zalewając słupy podporowe betonem w otworach wykonanych w gruncie albo za pomocą kotew mechanicznych lub chemicznych – słupy podporowe są wówczas kotwione do fundamentu.
Naziemne konstrukcje fotowoltaiczne mogą być również – podobnie jak konstrukcje na dachu płaskim – dociążane betonowymi bloczkami. Jest to system, który nie wymaga użycia ciężkiego sprzętu ani szczególnej ingerencji w podłoże. Takie rozwiązanie jest dobre zwłaszcza w przypadku małych instalacji, które są lżejsze.
Konstrukcje wolnostojące mogą być jednopodporowe lub dwupodporowe. W zależności od opcji montażu, panele fotowoltaiczne mogą być na nich montowane w układzie pionowym (wertykalnym) lub poziomym (horyzontalnym).
Warto wybierać profile podporowe perforowane, bo zapewniają szeroki zakres regulacji bez konieczności wiercenia, a wzdłużna perforacja profili pozwala na płynną regulację kąta nachylenia konstrukcji względem podłoża (w określonym zakresie). Perforacja profili zmniejsza też ciężar całej konstrukcji. Poza tym podłużna perforacja profili pozwala na szybki montaż wysięgników i koryt kablowych – w celu bezpiecznego prowadzenia kabli i montaż konstrukcji pod inwertery.
System wolnostojący dwupodporowy czterorzędowy, wbijany w grunt, fot. Solum Service
a) Konstrukcja wolnostojąca dwupodporowa W-V2G2-BI-25° z dwoma panelami montowanymi w pionie, b) zastosowanie profilu CWCR100H50/...NMC z rozgiętym bokiem istotnie przyspiesza czas montażu i ustala kąt nachylenia paneli względem podłoża, c) nakrętka rombowa NRM8PV wykonana ze stali konstrukcyjnej w powłoce Magnelis zapewnia szybki montaż oraz wysoką odporność na korozję, fot. BAKS
Carport, czyli wiata fotowoltaiczna
System carport to wolno stojąca konstrukcja fotowoltaiczna, mocowana do podłoża (fundamentu). Spełnia ona funkcję miejsca parkingowego, a raczej wiaty dla samochodu, której dach pokryty jest panelami fotowoltaicznymi, a więc produkuje energię elektryczną, którą wykorzystuje się do ładowania parkującego tam samochodu. Cała konstrukcja musi być wykonana z materiałów odpornych na korozję, najczęściej stosuje się powłokę magnelis®. Carport może być jedno-, dwu- lub wielostanowiskowy.
System carport to konstrukcja mocowana do fundamentu, która jest jednocześnie wiatą samochodową, fot. Solsum
Trackery – konstrukcje podążające za słońcem
Specyficznym rodzajem konstrukcji fotowoltaicznej są trackery, czyli ruchome elementy systemu fotowoltaicznego, dzięki którym panele fotowoltaiczne mogą poruszać się w ciągu dnia – ustawiają się w optymalnym kierunku i pod optymalnym kątem względem promieni słonecznych, umożliwiając zwiększenie uzysku energii. Zastosowanie trackerów eliminuje problem zacienienia modułów od ich spodniej strony. Trackery sprawdzają się przede wszystkim na dużych, wielkopowierzchniowych farmach fotowoltaicznych. Główną zaletą tego systemu jest zwiększona efektywność pozyskiwania energii słonecznej – uzyski są większe średnio o 30% w porównaniu do nieruchomych konstrukcji wolnostojących.
Główną zaletą trackerów jest zwiększona efektywność pozyskiwania energii słonecznej – uzyski są większe średnio o 30% w porównaniu do nieruchomych konstrukcji wolnostojących, fot. Bruk-Bet Nieciecza
W ruchomych systemach fotowoltaicznych stosuje się trackery umożliwiające ruch w jednej płaszczyźnie – pionowej lub poziomej (tzw. single axis) oraz trackery podwójne – umożliwiające ruch paneli zarówno w pionie, jak i w poziomie (double axis). Wadą takich instalacji solarnych jest przede wszystkim to, że na konkretnej działce można zamontować mniej paneli: montaż podobnej mocy paneli PV jak w przypadku statycznej farmy solarnej wymaga przeznaczenia pod nią większego terenu. Poza tym zastosowanie trackerów może zwiększać prawdopodobieństwo awaryjności instalacji.
Na rynku dostępnych jest bardzo wiele rodzajów konstrukcji pod instalacje fotowoltaiczne i wybór tej najbardziej odpowiedniej do konkretnych warunków musi być dobrze przemyślany. Od jakości systemu wsporczego w dużym stopniu zależy bowiem rentowność inwestycji i zadowolenie klienta z jej użytkowania.
***
WARTO WIEDZIEĆ
Zasada działania fotowoltaiki opiera się na jak największym dostępie do promieni słonecznych, dlatego instalacja pracuje najefektywniej, gdy panele PV skierowane są na południe, a promienie słoneczne niemalże prostopadle padają na ogniwa krzemowe, które produkują energię. Za optymalny kąt nachylenia uznaje się 30–40 stopni – w takich warunkach szacuje się, że z każdego 1,25 kWp mocy instalacja fotowoltaiczna będzie w stanie rocznie wygenerować około 1000 kWh energii elektrycznej. W przypadku instalacji na gruncie lub ogrodzeniu konieczne może być zastosowanie wysięgników, aby umieścić moduły na wysokości 1,5–2,5 metra, nie tracąc powierzchni działki. Innym rozwiązaniem jest układanie paneli w układzie wschód – zachód, co również może być wydajne, ale do uzyskania podobnej efektywności w tym przypadku wymagana jest większa liczba paneli.
A MOŻE WYKORZYSTAĆ MODUŁY BIPV?
Alternatywą dla paneli montowanych na elewacji – czy też na dachu – są tzw. BIPV (ang. building integrated photovoltaics), czyli moduły fotowoltaiczne przeznaczone do integracji z budynkiem, które wykorzystuje się już na etapie budowy, zamiast tradycyjnych materiałów budowlanych. W takiej sytuacji nie są już potrzebne osobne konstrukcje do montażu fotowoltaiki. Jednak na razie liczba budowli z zastosowaniem BIPV, zwłaszcza w Polsce, jest niewielka. Poza tym moduły BIPV mają kilka wad: niższą wydajność niż panele PV (o 10–40%), a ich wymiana lub naprawa jest trudniejsza i bardziej kosztowna.
