Pełny numer elektro.info 7-8/2017 tylko dla Ciebie [PDF]

wystarczy założyć konto w portalu elektro.info.pl

Zastosowanie ogniw słonecznych w autonomicznych systemach zasilania

Przykładowa instalacja autonomicznie zasilana energią słoneczną stacji użytkowników Veturilo – Warszawskiego Roweru Publicznego przy pl. Konstytucji.
Przykładowa instalacja autonomicznie zasilana energią słoneczną stacji użytkowników Veturilo – Warszawskiego Roweru Publicznego przy pl. Konstytucji.
fot. G. Mazurek

Ogniwa i moduły fotowoltaiczne (PV) są jednymi z najczęściej stosowanych generatorów energii odnawialnej. Umożliwiają one bezpośrednią konwersję promieniowania słonecznego na energię elektryczną.

W odróżnieniu od innych źródeł „czystej” energii najprostsze instalacje PV nie zawierają elementów ruchomych i cechują się prostą konstrukcją mechaniczną. Dzięki temu znajdują one liczne zastosowania przy zasilaniu małych, energooszczędnych urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Instalacje PV stosuje się głównie w lokalizacjach, gdzie nie jest możliwe przyłączenie do sieci energetycznej lub koszt takiego przyłączenia okazuje się zbyt wysoki.

Najprostszymi instalacjami PV są systemy autonomiczne [6] (znane również jako: samodzielne, wyspowe, wolnostojące, ang. off-grid, stand-alone). Na rys. 1. pokazano przykładowy schemat takiego systemu.

Rys. 1. Schemat blokowy autonomicznego systemu fotowoltaicznego
Rys. 1. Schemat blokowy autonomicznego systemu fotowoltaicznego; rys. G. Mazurek

Moduł PV (lub grupa kilku połączonych modułów) jest jedynym źródłem energii, ponieważ system nie jest dołączony do sieci energetycznej.

Energia wytworzona w module PV jest przesyłana do obciążenia oraz do akumulatora, poprzez odpowiedni kontroler ładowania. Dzięki temu możliwe jest dostarczenie zasilania również w nocy i w okresach bez aktywności słonecznej, z nadwyżki energii zgromadzonej wcześniej w akumulatorze.

Jeżeli dołączone są tylko obciążenia zasilane niskim napięciem stałym (np. 12 V lub 24 V), to w systemie nie występuje falownik ani przetwornica DC/DC.

Fot. 1-2. Przykładowe instalacje autonomiczne zasilane energią słoneczną; fot. G. Mazurek

Autonomiczne systemy PV znajdują zastosowania [5] m.in.:

  • w sektorze telekomunikacyjnym (np. do zasilania stacji bazowych, aparatów telefonicznych na obszarach pustynnych),
  • w budynkach oddalonych od skupisk ludzkich (np. schroniska górskie, domki letniskowe),
  • a także do zasilania parkometrów, znaków drogowych, tablic informacyjnych, świateł nawigacyjnych, oświetlenia przystanków komunikacji miejskiej.

Znane są także zastosowania przy uzdatnianiu wody i nawadnianiu, a także w zasilaniu chłodni medycznych oraz ochronie katodowej. Przykłady autonomicznych systemów PV pokazano na fot. 1. i fot. 2.

Dobór elementów autonomicznej instalacji PV

Podstawowe elementy autonomicznej instalacji PV, jak pokazano na rys. 1. , to:

  • moduł PV (lub grupa modułów),
  • akumulator
  • i kontroler ładowania.

W praktyce najczęściej stosowane są moduły PV wykonane w technologii krzemu krystalicznego [5]. Napięcie nominalne modułów jest dobrane w ten sposób, aby umożliwić efektywne ładowanie typowych akumulatorów (12 V lub 24 V) i wynosi ono ok. 16 V lub 35 V, w zależności od wykonania modułu.

Moce nominalne dostępnych na rynku modułów PV rozciągają się od 5 Wp do 230 Wp [5]. W przypadku potrzeby uzyskania większej mocy generatora PV należy zastosować grupę (panel) kilku połączonych ze sobą modułów.

Do utrzymania dostępności zasilania również w chwilach braku aktywności słonecznej w systemach PV stosuje się akumulatory elektrochemiczne, zazwyczaj kwasowo-ołowiowe [5].

Akumulator pracujący w takim systemie powinien być dostosowany do częstych i głębokich cykli ładowania i rozładowania, z możliwością występowania stanów całkowitego rozładowania. Dlatego też zaleca się stosowanie specjalnych akumulatorów przeznaczonych dla instalacji PV (np. z elektrodami rurowymi [5]), tolerujących dużą liczbę cykli ładowania, a co za tym idzie – gwarantujących większą trwałość i niezawodność.

Pojemność akumulatora musi być tak dobrana, aby zapewnić wymagany czas autonomii, tzn. podtrzymania zasilania przy braku energii z modułów PV.

Dla zastosowań niekrytycznych oraz instalacji w miejscach o wysokim nasłonecznieniu zaleca się 5–7 dni autonomii, a w pozostałych przypadkach: 7–14 dni [4].

Sposób wyznaczania wymaganej pojemności akumulatorów można znaleźć w literaturze [6].

Kontroler (regulator) ładowania jest odpowiedzialny za utrzymywanie w pełni naładowanego akumulatora, a także za zapobieganie jego przeładowaniu i nadmiernemu rozładowaniu.

Regulator musi być dobrany stosownie do natężenia prądu dostarczanego przez moduły PV i pobieranego przez obciążenie. Dostępne są kontrolery przystosowane do prądów roboczych od 5 do 40 A [5].

Istotnym czynnikiem jest również pobór prądu zasilania przez sam kontroler, który powinien być jak najniższy ze względu na wnoszone straty energii. Typowo pobór prądu kontrolera nie przekracza wartości 4 mA lub 14 mA [5], w zależności od modelu i dopuszczalnego natężenia prądu roboczego.

Głównym problemem systemów zasilanych energią słoneczną jest sezonowa oraz krótkoterminowa zmienność warunków nasłonecznienia.

Poziom nasłonecznienia zależy głównie od położenia geograficznego oraz warunków klimatycznych w miejscu instalacji.

Przykładowo, według danych z systemu PVGIS [3] dla lokalizacji w Warszawie średnie dzienne sumy nasłonecznienia płaszczyzny poziomej mogą się wahać od 0,6 kWh/m2 w styczniu do 5,6 kWh/m2 w czerwcu.

Około 80% całkowitego rocznego nasłonecznienia przypada w Polsce na sezon wiosenno-letni, tzn. pięć miesięcy liczonych od kwietnia do końca września [5], [10]. W związku z tym, aby zagwarantować określony poziom dostępności źródła zasilania podczas całego okresu eksploatacji, przy założeniu stałego poziomu poboru energii, moc nominalna zainstalowanych modułów PV powinna być dobrana odpowiednio dla miesiąca o najbardziej niekorzystnym nasłonecznieniu [2], [4].

Minimalną moc modułów PV, które powinny być zainstalowane w autonomicznym systemie zasilania, najprostszym sposobem można wyznaczyć z zależności [2], [6]:

(1)

gdzie:

W – dzienne zapotrzebowanie energetyczne zasilanych urządzeń, w [Wh],
Z1 – efektywny czas nasłonecznienia płaszczyzny poziomej w ciągu dnia, w [h], w którym natężenie promieniowania słonecznego odpowiada warunkom STC (E0 = 1 kW/m2),
Z2 – współczynnik związany z pochyleniem płaszczyzny modułów PV,
Z3 – współczynnik związany z temperaturą modułu,
V – łączny współczynnik sprawności, uwzględniający straty w przewodach, przy ładowaniu akumulatora oraz wynikające z wahań nasłonecznienia i temperatury modułu (w pierwszym przybliżeniu [2] można przyjąć V = 0,76),
PPV – poszukiwana moc nominalna modułów PV.

Współczynnik Z1 jest równy liczbowo średniemu dziennemu napromieniowaniu płaszczyzny poziomej w [kWh/m2] i jest związany z położeniem geograficznym miejsca instalacji i numerem miesiąca w roku. Wartości współczynników Z1, Z2, Z3 dla konkretnego miesiąca i miejsca instalacji należy odczytać z odpowiednich tabel [2], [6].

Przykładowo szacuje się [6], że do zasilania domku letniskowego, wyposażonego wyłącznie w kilka urządzeń małej mocy (6 lamp, lodówka, telewizor, hydrofor), w sezonie letnim każdego dnia wymagana jest energia 516 Wh, natomiast w sezonie zimowym: 248 Wh.

Dla polskich warunków, przy kącie pochylenia modułów b = 45°, w sierpniu można przyjąć [6]: Z1 = 4, Z2 = 1, Z3 = 0,88, natomiast w grudniu: Z1 = 0,48, Z2 = 1,55, Z3 = 0,99 (w tych miesiącach przypadają minimalne wartości nasłonecznienia Z1 odpowiednio dla lata i zimy).

Zgodnie z (1) dla sezonu letniego wymagany będzie moduł PV (lub połączenie kilku modułów) o mocy nominalnej przynajmniej 193 Wp, a w sezonie zimowym: 439 Wp – ze względu na znacznie niższy poziom nasłonecznienia.

Zatem przy założeniu całorocznej eksploatacji należy zastosować moduły PV o łącznej mocy około 500 Wp [6]. W miesiącach letnich instalacja taka będzie przewymiarowana – ilość produkowanej energii może być
ponaddwukrotnie wyższa od przewidywanego zapotrzebowania.

Aby uniknąć efektu przewymiarowania, można zastosować przeciwne kryterium [11], eliminujące nadprodukcję energii.

Maksymalna efektywność systemu będzie osiągnięta, jeżeli moc modułów zostanie dobrana odpowiednio dla miesiąca o najwyższym poziomie nasłonecznienia w rozpatrywanym okresie eksploatacji. Takie podejście daje najlepsze rezultaty, gdy występuje idealna korelacja pomiędzy nasłonecznieniem i zapotrzebowaniem na energię elektryczną [11].

W przypadku zasilania odbiorników o stałym poborze energii ten warunek nigdy nie będzie spełniony. Ponadto w pozostałych miesiącach, cechujących się niższym poziomem nasłonecznienia, będą występować niedobory produkowanej energii, skutkujące przestojami w zasilaniu i obniżonym poziomem dostępności systemu.

Ilość energii wytworzonej w systemie PV łącznie w ciągu miesiąca lub roku można z dość dobrą dokładnością prognozować na podstawie ogólnodostępnych tabel i baz danych ze średnimi wartościami nasłonecznienia, jak pokazano w [9]. Jednak aby oszacować poziom dostępności (niezawodności) autonomicznego systemu zasilania opartego na modułach PV w konkretnym miesiącu, nie wystarczają już długookresowe średnie. W takim przypadku konieczna jest analiza wyników pomiarów zbieranych w krótszych okresach.

Warto przeczytać: Budowa i eksploatacja systemów fotowoltaicznych >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!

Artykuł pochodzi z: miesięcznika elektro.info 6/2016

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


PROMOCJA na kamery termowizyjne nawet do 5000 zł taniej !! »

Tylko do 31.XII możesz skorzystać z obniżki na oscyloskopy»

Promocja kamery termowizyjne oscyloskopy niskie ceny
Zostało już tylko kilka dni promocji na kamery termowizyjne. Zobacz niższe ceny z okazji BLACK FRIDAY i CYBER WEEK (...) chcę zobaczyć ceny » Oscyloskopy cyfrowe świetnie sprawdzają się przy pomiarach w laboratoriach oraz firmowych działach rozwoju. Bywają także niezbędne podczas zadań serwisowych (...) czytam dalej »


Akumulatory do każdego typu pojazdu »

Rozwój odnawialnych źródeł energii w Polsce »

Akumulatory do każdego typu pojazdu Magazyny energi w polsce
Niezależnie od tego czy jeździsz samochodem osobowym, SUV-em, terenówką czy autem dostawczym, znajdziesz(...) czytam dalej » Aparatura łączeniową i sterownicza dla automatyki przemysłowej, techniki medycznej oraz automatyki budynków(...) czytam dalej »

Jak zdalnie monitorować pracę silnika?

UPS zasilacze Jak przekształcić silni elektryczny w inteligentne, połączone bezprzewodowo urządzenia. Czujnik montowany jest na kadłubie silnika indukcyjnego niskiego napięcia bez potrzeby okablowania czy wprowadzania zmian mechanicznych (...) czytam dalej »


Switche niezarządzalne - które wybrać?

Systemy fotowoltaiczne. Jak zwiększyć efektywność energetyczną?

Switche niezarządzalne Rola miedzi w energetyce słonecznej
Switche niezarządzalne są to urządzenia, które mają za zadanie przekazywanie danych między urządzeniami w wymagającym środowisku przemysłowym. Ich zadaniem jest zapewnienie przede wszystkim stabilnej, jak również wydajnej komunikacji.(...) czytam dalej » Sektor energii słonecznej umacnia się coraz bardziej. Według Solar Power Europe, w roku 2017 została zainstalowana globalnie większa moc energii fotowoltaicznej niż (...) czytam dalej »

Kable i przewody - pobierz bezpłatny Ebook »

Kable i przewody ebook Przedstawiamy nowy poradnik „Kable i przewody”! Znajdziecie w nim m.in. metody ochrony kabli przed pożarem, jak prowadzić i oznaczać trasy kablowe (...) czytam dalej »


Stacje ładowania elektryków przed własnym domem »

Co się stało z tymi kablami?

miejska stacja ładowania Co sie stało z kablami
Samochody elektryczne stają się coraz bardziej popularne. Jednak ich żywot jest uzależniony od stacji ładowania. Stacja ładowania to urządzenie elektryczne, które(...) czytam dalej » Wszelkie błędy popełnione na etapie projektowania, wykonawstwa i eksploatacji nawarstwiają się latami, stopniowo pro­wadząc do wydłużenia czasu poświęcanego na administrację systemu, zmniejszając pewność jego działania i tym samym (...) czytam dalej »

Zapraszamy na szkolenia z elektro.info » 
Ebooki dla elektryków i nie tylko

Serdecznie zapraszamy do zapoznania się z ofertą szkoleń organizowanych przez lub przy udziale „elektro.info”. Naszą silną stroną jest dobrze merytorycznie przygotowany zespół, który
(...)
czytam dalej »


11/2018

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 11/2018
W miesięczniku m.in.:
  • - Eksploatacja instalacji elektrycznych tymczasowych
  • - Symulacyjne metody analizy funkcjonowania układów automatyki elektroenergetycznej
Zobacz szczegóły

Aukcje 2019 - ile dla wiatru i fotowoltaiki?

Jak podaje portal gramwzielone.pl, rząd nadal nie ogłosił szczegółowych założeń przyszłorocznych aukcji dla odnawialnych źródeł energii. Jednak informacje podało Ministerstwo Energii,...

Szczypce-klucz Knipex

Szczypce-klucz to narzędzie opracowane i opatentowane wiele lat temu przez niemiecką firmę Knipex. Pod względem funkcjonalności łączy szczypce nastawne z kluczem nastawnym typu...
EAST UPS EAST UPS
Marka EAST ® to uznany producent wysokowydajnych zasilaczy awaryjnych UPS zaprojektowanych do całodobowej ochrony urządzeń elektrycznych oraz...
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl