0
głosów
- +

Jak zrobić własny system fotowoltaniczny, czyli nasze własne źródełko prądu.

Autor:

Aktualizacja: 10.05.2013


Kategoria: Gospodarka / Energetyka Odnawialna


Artykuł
  • 0 głosów dodatnich
  • 0 głosów ujemnych
  • 2488 razy czytane
  • 2 przedrukowany
  • 0 Polemik/Poparć <span class="normal">Odpowiadanie na artykuł</span>
  • Licencja: CC <span class="normal">Zezwala się na kopiowanie, dystrybucję, wyświetlanie i użytkowanie dzieła i wszelkich jego pochodnych pod warunkiem umieszczenia informacji o tw&oacute;rcy.</span>
Dostęp bezpłatny <span class="normal">Dostęp do treści jest bezpłatny.<br/> Inne pola eksploatacji mogą być zastrzeżone sprawdź <b>licencję</b>, żeby dowiedzieć się więcej</span>
 

Artykuł omawia w sposób praktyczny, jak zbudować własny systm fotowoltaniczny. Zebrana w sposób poradnikowy wiedza dotyczy wszystkich elementów systemu zbudowanego z baterii słonecznych i prowadzi krok po kroku poprzez proces konstruowania takiego systemu.


Przede wszystkim należy odróżnić potoczną nazwę paneli słonecznych od ogniw fotowoltanicznych. Nazwą „panele słoneczne” potocznie określane są kolektory słoneczne, które zamieniają energię promieniowania słonecznego w ciepło użytkowe, wykorzystywane najczęściej do ogrzewania wody użytkowej lub wspomagania instalacji centralnego ogrzewania. Panele lub ogniwa fotowoltaniczne znane również jako baterie słoneczne służą do pozyskiwania energii elektrycznej prądu stałego, najczęściej o napięciu 12V lub 24V. Do zbudowania własnego autonomicznego systemu fotowoltanicznego potrzebujemy:

  • ogniw fotowoltanicznych, czyli baterii słonecznych

  • regulatora ładowania – zadaniem którego jest zabezpieczenie akumulatora przed przeładowaniem oraz przed zbyt głębokim rozładowaniem ze strony odbiorników działających na napięcia stałe,

  • akumulatora - którego zadaniem jest magazynowanie energii wyprodukowanej w dzień dla odbiorników energii pracujących o różnej porze dnia i nocy,

  • przetwornicy - która zamieni napięcie stałe z akumulatora na ~230V

  • okablowania i ewentualnie obudowy, bezpieczników, mierników

Zanim zaczniemy dokonywać zakupów, skuszeni wizją darmowego prądu proponuję odpowiedzieć na pytania, które pozwolą odpowiednio zaprojektować naszą instalację.

 

Pytanie nr 1. Do czego ma nam służyć instalacja baterii słonecznych, gdzie będzie zainstalowana i co będzie zasilać, czyli po co nam to wszystko?

 

Inaczej będzie wyglądać instalacja służąca podtrzymaniu zasilania pieca gazowego i instalacji alarmowej w domku jednorodzinnym, inaczej na jachcie czy przyczepie kampingowej, a jeszcze inaczej służąca zasilaniu oświetlenia halogenowego w domku letniskowym. Przewidywane miejsce zamontowania powinno być przemyślane pod kątem ilości miejsca dla paneli, odległości od odbiornika, miejsca zamontowania sterownika i przetwornicy. Przewidywana ilość paneli oraz miejsce montażu – na dachu, na ścianie czy bezpośrednio na ziemi w formie rusztowań z siłownikami – istotnie wpływa na skuteczność pracy całej instalacji oraz koszty i pracochłonność przy zbudowaniu wsporników. Jednak jeśli chodzi o skuteczność jakiejkolwiek instalacji instalowanej na terenie Polski, muszę ostudzić wstępny entuzjazm. Położenie geograficzne Polski oraz uwarunkowania klimatyczne nie zapewniają wystarczającego i równomiernego nasłonecznienia przez cały rok. I jeszcze jedna ważna i zapominana kwestia – jak długo w ciągu doby i w jakich porach ma być pobierana energia. Na tym etapie powinniśmy wiedzieć gdzie, po co, jak długo i do czego.

 

Pytanie nr 2. Jaka jest maksymalna moc i napięcie urządzeń, które chcemy zasilać, czyli gdzie jest tabliczka znamionowa?

Najłatwiej to ustalić spisując z tabliczek znamionowych tychże urządzeń napięcie i moc. O ile z napięciem nie będzie problemu i będzie to napięcie stałe 12V lub 24V albo zmienne 220-230V, to z mocą sprawa się komplikuje. Niektóre urządzenia mają moc oznaczoną w watach [W] a inne w voltoamperach [VA]. Nie zagłębiając się zbytnio w teorię Wat odnosi się do mocy czynnej,a VA do mocy pozornej i nie są to wartości tożsame.

Moc czynna [W] związana jest ściśle z pojęciem pracy prądu zmiennego (U-napięcie, I -prąd):

 P = U x I x cosφ

Moc czynna P wydziela się w odbiornikach o charakterze rezystancyjnym (oporowym) np. w klasycznej żarówce. Idealna cewka, a także idealny kondensator nie pobierają mocy czynnej.

Moc bierna Q [VAr] związana jest z obecnością w obwodzie elementów indukcyjnych lub/i pojemnościowych. Elementy rezystancyjne nie pobierają mocy biernej. Moc bierną wyznacza się z następującej zależności:

Q = U x I x sinφ

Sumę geometryczną mocy czynnej i biernej nazywamy mocą pozorną S, której jednostką jest woltoamper (VA).

Kąt φ jest kątem przesunięcia fazowego między napięciem i prądem, Moc pozorną oblicza się:

S = √P²+Q²

Jakie mogą być różnice między wartościami VA i W w urządzeniach pracujących pod napięciem 230V? Przykładowo załóżmy, że zmierzono w takim odbiorniku opór o charakterze rezystancyjnym 30Ω, reaktancję indukcyjną 60Ω i reaktancję pojemnościową 100Ω. Moc czynna w takim obwodzie wynosi 634 W, a moc pozorna 1058VA. Różnica wynosi 40%.

Nie sądzę, że ktoś będzie dokonywał pomiarów rezystancji i reaktancji każdego urządzenia, dlatego sprowadzenie mocy wyrażonej w VA do wartości wyrażonej w W może nastręczać trudności. Dla uproszczenia przyjmijmy:

W ≈ 0,7VA

Ale dlaczego mamy posługiwać się mocą wyrażoną w W? Dlatego, że moc paneli fotowoltanicznych najczęściej jest wyrażona w W, a jednostki we wszystkich wyliczeniach muszą się zgadzać.

W układach prądu stałego cała moc jest mocą czynną i wyrażana jest w watach [W] – stąd nie ma problemów związanych z przeliczeniami. Większość odbiorników prądu stałego pracuje pod napięciem 12V – co jest kolejną zaletą, o której więcej napiszę dalej. Dla celów artykułu załóżmy, że chcemy zasilać osprzęt akwarium – filtr, napowietrzacz i oświetlenie. A więc dokonujemy inwentaryzacji:

  • filtr 220V 7W

  • napowietrzacz 220V 6,5W

  • oświetlenie jarzeniowe 220V 2x18W = 36 W

Razem 220V 50W. Załóżmy, że urządzenia te będą działały 9 godzin dziennie, raczej po zmierzchu. Czyli dziennie potrzebujemy energii 0,45 kWh = 450Wh.

 

Pytanie 3. Skąd wziąć energię potrzebną do zasilania odbiorników, czyli gdzie czai się moc?

Bezpośrednim elementem, który będzie zasilał nasze odbiorniki będą nie ogniwa, a akumulator gromadzący energię. Załóżmy, że nasza instalacja będzie pracować z napięciem 12V, a odbiorniki mamy na 220V. W tym celu musimy zastosować przetwornicę. Przetwornice mają najczęśiej sprawność ok 80%, choć warto to sprawdzić przy zakupie. Nasze odbiorniki potrzebują 450Wh energii co po uwzględnieniu strat w przetwornicy wynosi 562,5 Wh. Stąd łatwo wyliczyć pojemność akumulatora jako iloraz pobieranej mocy do napięcia:

562,5Wh/12V = 46,88 Ah

Jednak w praktyce akumulator powinien być większy ze względu na fakt, iż nie może być wyładowywany do końca. Zaleca się zastosowanie współczynnika zwiększającego 1,5. Jednak nasłonecznienie w naszym kraju nie zawsze zgadza się z teorią i wybór większego akumulatora może spowodować jego chroniczne niedoładowanie. W przypadku, kiedy z wyliczeń wyjdzie duża pojemność akumulatora możemy zastosować zestaw akumulatorów. Akumulatory w przypadku instalacji 12V połączymy równolegle, a ich pojemność sumujemy. Warunkiem jest stosowanie tych samych typów akumulatora o tej samej pojemności i rodzaju. Do instalacji słonecznych zalecane są akumulatory żelowe, czyli takie w których elektrolit jest unieruchomiony w postaci żelu. Są one szczelne, zupełnie bezobsługowe, a ich żywotnośc w warunkach 20stopni celcjusza to 10-12lat. Jednak dużo tańsze są akumulatory kwasowe, czyli takie jak w samochodach.

 

Pytanie 4. Jaką moc powinny mieć panele, czyli czym naładować akumulator?

Odpowiedź na to pytanie możemy znaleźć na dwa sposoby. Pierwszy, wynika zprostego założenia, że codziennie panele będą znajdować się w pełnym słońcu przez 4 godziny. Zakładamy również, że nasz akumulator kwasowy ma sprawność 70%. Stąd wyliczamy moc paneli:

562,5 Wh/0,7/4 = 200,8 W

Możemy wybrać również bardziej ambitną drogę, i ustalić ilość możliwej do pozyskania energi w oparciu o nasz położenie geograficzne.

 

Pytanie 5. Ile energii możemy uzyskać, czyli gdzie my właściwie mieszkamy?

Odpowiedź na to pytanie sprowadza się do ustalenia jaką ilość energii słonecznej może wyprodukować nasza elektrownia. W tym celu musimy ustalić średnią liczbę dni słonecznych i pochmurnych oraz czas ekspozycji słonecznej, biorąc pod uwagę nasze położenie geograficzne. Na szczęście mamy do dyspozycji internet i możemy potrzebne informacje odnaleźć w gotowej formie. Wchodzimy więc tutaj i w rubryce Installed peak PV power wpisujemy metodą prób i błędów przewidywaną moc łączną naszych paneli w kW. Załóżmy, że nasze fundusze i miejsce montażu przewidują zamontowanie 5 paneli po 30W. Jak widać moc ta wynosi 150W jest niższa od wyliczonych wcześniej 200W – ale wykażemy, że moc nominalna podawana na panelach jest możliwa do uzyskania jedynie w bardzo szczególnych sytuacjach i nie należy wiązać z nią zbyt dużych oczekiwań. Wracajac do tematu – mamy 150W, czyli 0,15 kW w panelach. Po wpisaniu tej wartości we wspomnianą rubrykę wybieramy jeszcze sposób zamontowania paneli w okienku Mounting position i zaznaczamy Optimize slope, aby program sam dobrał optymalny kąt zamontowania paneli. Przykładowe wyniki obliczeń dla miasta Poznań:

Nominal power of the PV system: 0.15kWp

Inclination of modules: 36deg.

Orientation (azimuth) of modules: 0deg.

 

Month Ed 150W Ed(200W) Em Hd Hm

1 0.13 (0.18) 4.07 1.06 32.9

2 0.23 (0.30) 6.39 1.91 53.4

3 0.40 (0.53) 12.3 3.43 106

4 0.58 (0.77) 17.4 5.26 158

5 0.58 (0.77) 18.0 5.44 169

6 0.59 (0.77) 17.6 5.59 168

7 0.54 (0.71) 16.6 5.17 160

8 0.52 (0.69) 16.0 4.92 152

9 0.43 (0.57) 12.9 3.95 119

10 0.28 (0.37) 8.53 2.42 74.9

11 0.15 (0.21) 4.60 1.28 38.3

12 0.11 (0.15) 3.48 0.91 28.3

Year 0.38 (0.50) 11.5 3.45 105

 

Ed: Average daily electricity production from the given system (kWh)

Em: Average monthly electricity production from the given system (kWh)

Hd: Average daily sum of global irradiation per square meter received by the modules of the given system (kWh/m2)

Hm: Average sum of global irradiation per square meter received by the modules of the given system (kWh/m2)

 wykres

Jak widać system podał optymalne zamontowanie paneli pod kątem 36stopni, w kierunku południowym. Patrząc w kolumnę oznaczoną Ed 150W – średnia dzienna wartość uzyskiwanej mocy, widać, że minimalną moc którą potrzebujemy 0,45 kWh, jesteśmy w stanie uzyskać jedynie od kwietnia (0,58 kWh) do września (0,43 kWh). Dla porównania wstawiłem również kolumnę zawierającą wartości wyliczone dla zestawu paneli o mocy 200W. Wynika z nich, że zyskujemy jedynie jeden lub dwa miesiące więcej.W pozostałe miesiące system będzie niewydolny. A oprócz kosztów paneli dochodzi droższy regulator i okablowanie. Oczywiście można zwiększyć ilość paneli, ale pociąga to za sobą większe koszty całej instalacji. I w pewnym momencie należy sobie zadać pytanie o opłacalność całej inwestycji. Wiadomo również, że energia jest nam najbardziej potrzebna, w okresie zimowym, a temu wyzwaniu na terenie Polski systemy fotowoltaniczne raczej nie są w stanie sprostać, choć do systemu można dodać wiatrak. Ale wszelkie założenia co do wydajności wiatraka są równoznaczne z wróżeniem. Powyższy wykres przedstawia średnią miesięczną wartość energii możliwą do uzyskania z naszego systemu. Wynika z niego, że maksymalna wydajność ma swój czas od kwietnia do września (dla paneli o mocy 150W). W szczytowym momencie możemy uzyskać 18 kWh w miesiącu. Jednak cały system będzie jeszcze odnotowywał straty na instalacji, kablach, akumulatorach itp. A jaka jest teoretyczna nominalna wydajność paneli o łącznej mocy 150W? Wynosi ona, przy założeniu 12 godzinnego światła dziennego 54 kWh. Podsumowując, jeśli jesteśmy w stanie zaakceptować wydolność systemu do wspomnianych miesięcy możemy kontynuować nasze wyliczenia.

 

Pytanie 6. Jak uzyskać planowaną wartość energii, czyli kiedy nadejdzie moc?

Moc nadejdzie najpewniej wraz z kolejnym statkiem, który przywiezie z Chin nasze wyczekiwane panele. A panele są różne. Baterie sloneczne - są to urządzenia zbudowane z połączonych odpowiednio ogniw fotowoltaicznych które wykorzystują zjawisko fotoelektryczne do produkcji energii elektrycznej. Podstawowym materiałem używanym do produkcji ogniw fotowoltaicznych jest krzem. W laboratoriach uzyskuje się sprawności konwersji promieniowania słonecznego ogniw krzemowych na prąd elektryczny dochodzące 24%. Możliwe jest uzyskanie nawet większej sprawności, lecz takie ogniwa są wykorzystywane tylko w przemyśle kosmicznym, ze względu na wysoką cenę. Średnia żywotność baterii słonecznych zależy od jej typu i wynosi około 25 lat. Po tym czasie wydajność panelu słonecznego spada do około 80% mocy początkowej.

Ze względu na rodzaj krzemu i właściwości, ogniwa dzielimy na :

- monokrystaliczne - najwyższa sprawność: 12-16%, szczególnie w słoneczny dzień, najwyższa trwałość, najwyższa cena,

- polikrystaliczne - wysoka sprawność konwersji: 10-14%, w warunkach zachmurzenia może być nawet wyższa od modułów monokrystalicznych, trwałość porównywalna z krzemem monokrystalicznym, cena minimalnie niższa od ogniw z krzemu monokrystalicznego,

- amorficzne - nieco niższa sprawność od paneli monokrystalicznych. Coraz powszechniej stosowane ze względu na niska cenę. Wykorzystywane również w elastycznych panelach słonecznych stosowanych w turystyce.

Poniżej przykładowe parametry techniczne dla ogniwa polikrystalicznego o wymiarach 1620x810 mm i wadze 15kg:

 

 sh2

 

oraz dla ogniwa monokrystalicznego:

 

Model

MH30

Typ

Monokrystaliczny

Moc

30W

Prąd ładowania [Im]

1,72 A

Prąd zwarciowy [Isc]

1,94 A

Napięcie nominalne [Um]

17,5 V

Napięcie jałowe [Uoc]

21,6 V

Wymiary

580x 425 x 23 [mm]

Waga

3,4 kg

Dane dla warunków: 1000W/m2, 25°C, AM 1,5

 

Dobór ogniw pod kątem rodzaju krzemu jest mniej ważny niż ze względu na właściwości elektryczne. Właściwości elektryczne są również ważne ze względu na parametry regulatora ładowania, który będzie musiał współpracować z panelami. Najistotniejszy w tym przypadku jest maksymalny prąd regulatora, który oznacza, że możemy do niego podłączyć tylko pewną ilość baterii, tak aby ich łączny prąd ładowania nie przekroczył parametrów regulatora. Drugim istotnym parametrem jest napięcie jałowe baterii, które również nie może przekroczyć wskazanego w regulatorze. W małych instalacjach zestaw paneli, będzie najczęściej współpracował z jednym regulatorem. Ale jeśli w grę wchodzą panele o mocy liczonej w kW (kilowatach) zaleciłbym skonsultowanie się z fachowcem. Na pytanie czy lepiej zastosować mniej paneli większej mocy, czy więcej o mniejszej mocy radziłbym porównać koszt jednostkowy 1W oraz możliwości montażu i ilość kabli, które zużyjemy przy montażu.

Wróćmy do naszego przykładu. Ze względu na możliwości montażowe zdecydowałem się na 5 paneli 30 Watowych. W efekcie uzyskałem:

  • moc 5x30W=150W

  • maksymalny prąd ładowania 5x1,72 A = 8,6A

  • napięcie jałowe 21,6V

Następnym krokiem będzie dobranie regulatora ładowania.

 

Pytanie 7. Jak dobrać regulator ładowania, czyli co ogarnie naszą moc?

Regulator ładowania - jest to urządzenie stosowane między baterią słoneczną a akumulatorem i odbiornikiem. Regulatory są używane aby utrzymywać akumulator w pełni naładowany i nie dopuszczać do jego przeładowania a takze nadmiernego rozładowania przez odbiorniki. Zabezpieczają także przed tzw. prądem "ciemnym" pobieranym przez panel słoneczny przy braku oswietlenia, jeżeli panel nie został wyposażony w diodę blokującą. Regulatory mogą się różnić napięciem z jakim pracują oraz maksymalnym natężeniem prądu jaki może przez nie płynąć. Typowy regulator pracuje z napięciem 12 lub 24V. Zawansowane regulatory typu MPPT używają systemu śledzenia punktu maksymalnej mocy uzyskiwanej z panela, który automatycznie pozwala systemowi pracować przy napięciu, które daje maksymalną moc wyjściową.

Wyróżniamy następujące rodzaje regulatorów:

- prosty 1-2 stopniowy – pracuje na zasadzie przetłaczania energii do akumulatora. Po osiągnięciu odpowiedniego napięcia, panel zostaje odłączony.

- 3 stopniowy PWM: np. Steca Solsum 10.10F

- MPPT (maximum power point tracking) - regulatory śledzące maksymalne napięcie. Ten typ regulatorów również pracuje w trybie PWM. Regulatory typu MPPT pozwalają na dostarczenie 10-30% więcej energii do akumulatora. Zazwyczaj są droższe od standardowych regulatorów PWM.

Osobiście polecam zakup dobrego regulatora conajmniej PWM. Gwarantuje to przedłużenie żywotności kosztownych akumulatorów i większą efektywność całej instalacji. Regulatory słoneczne PWM używają technologii podobnej do nowoczesnych ładowarek baterii. Gdy napięcie baterii osiąga wyznaczony limit, algorytm PWM powoli redukuje prąd ładowania aby zapobiec przegrzaniu się baterii, w tym samym czasie próbując dostarczyc maksymalną ilość energii do baterii w jak najkrótszym czasie. PWM działa na zasadzie ładowania pulsacyjnego. Zamiast ciągłego dostarczania energii do akumulatora, wysyła on krótkie serie wysokiego napięcia. Regulator sprawdza poziom naładowania baterii i określa jak długa powinna być wysłana seria napięcia. W przypadku naładowanego akumulatora, regulator wysyła krótki sygnał co pare sekund, zaś w przypadku rozładowanej baterii, sygnał jest długi i niemalże ciągły. Regulatory PWM mają wiele zalet np: mogą naładować akumulator do 90-95% jego nominalnej pojemności, dostosowują parametry do starzejących się akumulatorów, zabezpieczenia przeciwzwarciowe i przeciwprzeciążeniowe.

Ponadto regulatory mają zestaw wskaźników, najczęściej w postaci kolorowych diod LED lub wyświetlaczy LCD, informujących użytkownika o parametrach pracy, np:

  • ładowaniu lub rozładowaniu akumulatora,

  • odcięciu odbiorników ze względu na rozładowanie akumulatora,

  • poziomie naładowania akumulatora itp.

Najlepsze regulatory mają wbudowane włączniki zmierzchowe lub czasowe pozwalające na ustalenie godzin, kiedy regulator ma oddawać energię do odbiornik. Poniżej przykładowy regulator użyty w omawianym przez nas przykładzie.

 Steca

 tabela

W naszym przykładzie użyjemy regultaora o prądzie 10A, ze względu na prąd uzyskiwany z baterii o wartości 8,6A. Zakresy napięć zapewniają dobrą współpracę z panelami.

 

Pytanie 8. Jak uzyskać z naszej instalacji napięcie zmienne 220V?

Aby dokonać konwersji stałego napięcia 12V na zmienne 220-230V stosujemy przetwornice (inwertery) lub falowniki.

Przetwornica (inwerter) - to urządzenie, które przetwarza prąd stały 12V na prąd zmienny 230V. Dzięki temu do sysytemu możemy podłączyć urządzenia codziennego użytku jak chociażby telewizor. Przetwornice podłącza się bezpośrednio do akumulatora. Zazwyczaj posiadają one funkcje ochrony akumulatora przed nadmiernym rozładowaniem oraz zabezpieczenie przeciwzwarciowe i przeciwprzeciążeniowe. Przetwornice na codzień są stosowane najczęściej w kamperach i na jachtach. Należy pamięteć, że prąd zmienny w sieci energetycznej i w naszych gniazdkach ma przebieg sinusoidalny. Natomiast prąd na wyjściu przetwornicy ma przebieg zbliżony do sinusoidalnego. Ponadto im mniejszą moc w stosunku do wartości nominalnej pobieramy z przetwornicy tym mniejsza jej sprawność i bardziej zniekształcony przebieg prądu. Np. kiedy do przetwornicy o nominalnej mocy ciągłej 800W podłączymy urządzenie o mocy 40W – sprawność takiej przetwornicy może spaść nawet do 40%, a kształt tzw. sinusoidy modyfikowanej może być bardzo zniekształcony i grozić uszkodzeniem odbiornika. Dlatego w przypadku przetwornic należy pamiętać o dostosowaniu mocy przetwornicy do mocy odbiornika. Najlepiej gdy moc odbiornika jest niewiele mniejsza od mocy przetwornicy. Wtedy system pracuje najwydajniej. Chciałbym również wspomnieć o wentylatorkach znajdujących się w większości przetwornic. Kiedy przetwornica pracuje w trybie ciągłym pobiera energię z akumulatora lub poprzez regulator ładowania. Cały czas pracuje w niej również układ chłodzenia w postaci tego wentylatorka. Po kilku miesiącach taki wentylatorek zacznie piszczeć lub zatrze się i konieczna jest naprawa. Dlatego warto pomyśleć o regulatorze ładowania z wbudowanym timerem, który będzie załączał odbiorniki tylko w razie potrzeby. Natomiast w przypadku odbiorników o mocy nieprzekraczającej 100W można zakupić przetwornicę bez wentylatorka, co eliminuje powyższy problem. Przetwornica nie pozwala na włączenie się do sieci energetycznej, dlatego też systemy budowane z użyciem przetwornicy nazywane są autonomicznymi (off grid).

Falownik - to urządzenie stosowane w systemach dołączanych do sieci energetycznej (grid connected). Falowniki są ok 10 razy droższe niż przetwornice, ale system zbudowany na falowniku zakładający sprzedaż energii zakładowi energetycznemu nie wymaga akumulatorów i może być tańszy nawet o 20% niż system autonomiczny. Głównymi funkcjami falownika są: zamiana napięcia stałego na zmienne, nadanie odpowiedniego kształtu wyjściowej fali prądu (sinusoida) i tym samym dostosowanie sygnału napięciowego do akceptowanego przez zakład energetyczny. Najważniejszymi cechami falownika w zastosowaniach fotowoltaicznych są jego niezawodność i charakterystyki sprawnościowe. Generalnie falowniki pozbawione są wad przetwornic. Zaprojektowane są one do ciągłej pracy w pobliżu punktu maksymalnej mocy. Sprawność falownika jest zazwyczaj podawana dla jego zaprojektowanej mocy pracy, ale zwykle, przez większość czasu, falowniki w systemach fotowoltaicznych pracują przy niepełnym obciążeniu. Duże sprawności przy niepełnym obciążeniu są szczególnie ważne w podłączonych do sieci falownikach pracujących w klimacie środkowoeuropejskim, gdzie roczna średnia moc wyjściowa panelu fotowoltaicznego może oscylować w granicach 10 % mocy szczytowej. Falowniki charakteryzują się sprawnościami rzędu od 90% do 96% przy pełnym obciążeniu, a dla 10% obciążenia - od 85% do 95%. Zwracam uwagę, że wszystkie instalacje elektryczne 220V powinien dokonywać uprawniony elektryk.

Dla potrzeb wcześniejszych wyliczeń założyliśmy, że w naszej instalacji wykorzystamy przetwornicę o sprawności 80%. Musimy jeszcze poznać jej minimalną nominalną moc. W tym celu mnożymy moc naszych odbiorników przez sprawność przetwornicy:

50Wx0,8 = 63W lub około 89 VA

Warto wspomnieć, że w naszym przypadku przetwornica powinna mieć zdolność oddawania mocy ciągłej około 70W. Natomiast przetwornice charakteryzują się również tzw. mocą chwilową lub szczytową, która jest około 20% wyższa od mocy ciągłej. Moc chwilowa to maksymalna moc, która może zostać pobrana w bardzo krótkim czasie i ma związek z wyższymi prądami pobieranymi przez urządzenia w momencie ich uruchamiania.

 

Pytanie 9. Jak zamontować panele, czyli jak zrobić dobre wsporniki?

Tutaj możemy wrócić do pytania pierwszego, gdzie mieliśmy podjąć decyzję, czy panele zostaną zawieszone na dachu, na ścianie czy na wspornikach wkopanych w ziemię. Wsporniki można przygotować samemu lub zakupić gotowe. Należy jednak pamiętać, że cała konstrukcja musi być dostosowana do warunków atmosferycznych – a w szczególności wiatru, który może zerwać panele. Popularną metodą zwiększania wydajności instalacji fotowoltanicznych zagranicą jest montaż baterii słonecznych na systemach nadążanych za słońcem. Taki ruchomy stelaż, na którym zamocowane są fotoogniwa, sam nakierowuje się do słońca w zależności od pory dnia. W słoneczne dni wydajność systemu może wzrosnąć o kilkadziesiąt procent. Niestety systemy nadążające za słońcem są jeszcze w Polsce stosunkowo drogie. Pamiętajmy również, że panele w celu osiągnięcia maksymalnej wydajności powinny być zamontowane pod odpowiednim kątem – w naszym przypadku 36 stopni. Dla dociekliwych może być istotne ustawienie azymutu, ale uważam, że samo ustawienie w kierunku południowym, dla instalacji nieruchomych, jest wystarczjące. Panele można również zamontować w kierunku wschodnim lub zachodnim – przyjmuje się wtedy, że ilość paneli powinna być dwykrotnie większa, niż w przypadku montażu w kierunku południowym. Czynnikiem skrajnie wpływającym na ilość produkowanej energii jest kąt i kierunek. Jeśli panele ustawimy np. w pionie – ich wydajność może spaść nawet do 20% wydajności przy prawidłowym zamontowaniu. Dlatego wsporniki i miejsce zamontowania powinny być również dokładnie przemyślane. W naszym przykładzie kąt powinien wynosić 36 stopni. Wymiary wspornika mocowanego do ściany budynku obliczymy ze wzoru:

Sin α = A/C gdzie α to nasze 36 stopni, C przeciwprostokątna, na której zamontujemy panele, A – przyprostokątna prostopadła do ściany budynku. Długość wspornika równoległego do ściany budynku obliczymy ze wzoru A²+B²=C².

 

Pytanie 10. O czym jeszcze należy pamiętać, czyli jak dobrać kable?

Mam wrażenie, że okablowanie jest powszechnie lekceważoną kwestią, a przecież w naszej instalacji będą płynąć dość znaczne prądy. Przy tak niewielkiej instalacji jak w naszym przykładzie – panele mogą wyprodukować prawie 9A. Natomiast prąd na wyjściu akumulatora może sięgać jeszcze większych wartości – jeśli przetwornicę podłączymy bezpośrenio do akumultaora. Np. Pobierając 500W 220V z przetwornicy, prąd między akumulatorem i przetwornicą sięgnie 50A. Dla takich obciążeń bardzo istotny staję się dobór kabli i ich przekroju. Przy doborze kabli uwzględnia się: rodzaj instalacji, sposób montażu, wpływ warunków środowiskowych, zagrożenie dla otoczenia, napięcie znamionowe, przekrój przewodu, obciążenie i materiał przewodnika. Bardzo ważna jest również odległość naszych paneli od regulatora, ponieważ im dłuższy kabel tym większy jest jego opór i mniejszy prąd może przez niego płynąć nie grożąc zbytnim przegrzaniem. Szczegółowe przekroje przewodów można znaleźć w specjalistycznych tabelach w internecie szukając hasła "wyznaczanie przekroju kabla elektrycznego"

Nasza instalacja będzie pracowała pod maksymalnym obciążeniem 10A i długość kabla nie przekroczy 10m, więc wystarczy kabel wielożyłowy o przekroju przewodu 1,5mm² (czyli o średnicy 1,4 mm). Jeśli jednak zdecydujemy się podłączyć przetwornicę bezpośrednio do akumulatora i pobierać prąd rzędu 50A to taki przewód powinien mieć przekrój S 16mm², czyli średnicę d 4,5 mm obliczoną wg wzoru S=Πr² (gdzie r = d/2).

 

Pytanie 11. Czy nam się to wszystko opłaca?

W ciągu ostatnich 2 lat ceny paneli spadły o około 30% co czyni montaż instalacji coraz tańszym. Podsumujmy koszt naszej przykładowej instalacji:

Panel MH30 – 5 szt x 150 zł plus wysyłka 19 zł

Regulator Steca Solsum 10.10F – 179 zł plus wysyłka 20 zł

Akumulator 45 Ah – 200 zł

Okablowanie – 100 zł

Przetwornica 70W – ok 80 zł

Inne np. Obudowa, złączki – 100 zł

Wspornik z materiałami i robocizną 200 zł.

Razem – 1650 zł.

Przyjmuje się, że okres zwrotu instalacji solarnej wynosi 5-8 lat. A minimalna trwałość 25 lat. Choć akumulator kwasowy trzeba będzie wymienić po 5 latach, a żelowy po 10 latach. Dla naszej małej instalacji przyjmijmy 5 lat. Jednak nasza instalacja będzie pracować jedynie przez 6 miesięcy w roku. Wciągu 5 lat wyprodukuje teoretycznie moc 405 kWh. Koszt zakupu takiej ilości energii w zakładzie energetycznym wynosi (licząc 55 groszy za 1 kWh) 405x0,55=222 zł. Nawet jeśli weźmiemy pod uwagę, że nasza instalacja nie emituje dwutlenku węgla i jest czysta ekologicznie oraz, że podłączenie instalacji energetycznej w domu też kosztuje – widać, że póki co ta forma ekoenergii jest stosunkowo droga. Pewnym pocieszeniem jest możliwość skorzystania z dofinansowania, które wynosi około 50% kosztów instalacji. Przy obecnym tempie spadku cen, biorąc pod uwagę wartość dofinansowania, stałość cen prądu oraz dopracowanie projektu pod kątem wydajności można przyjąć, że za około 10 lat instalacje fotowoltaniczne mogą zacząć skutecznie konkurować z ofertą zakładów energetycznych.

Osobom zainteresowanym mogę wysłać arkusz Excel ułatwiający dokonywanie obliczeń

Arkadiusz Milczarek

sunar@sunar.com.pl


Podobał Ci się artykuł?
0
głosów
- +

Brak polemik/poparć



Podobne artykuły:


KOMENTARZE


System komentarzy dostarcza Disqus

Używając tej strony zgadzasz się na wykorzystywanie plików Cookie.Dowiedz się więcej.

Używamy plików cookies, aby ułatwić Ci korzystanie z naszego serwisu oraz do celów statystycznych. Jeśli nie blokujesz tych plików, to zgadzasz się na ich użycie oraz zapisanie w pamięci urządzenia. Pamiętaj, że możesz samodzielnie zarządzać cookies, zmieniając ustawienia przeglądarki. Więcej informacji w naszej polityce prywatności.

Zamknij