Dobór instalacji fotowoltaicznej dla domku letniskowego

Dobór instalacji fotowoltaicznej niezależnej od sieci, służącej do zasilania np. dla domku letniskowego, czy obwodu oświetleniowego.

Instalacja autonomiczna pozwala na całkowitą niezależność energetyczną odbiorcy, dlatego znajduje zastosowanie przeważnie do zasilania budynków, które znajdują się w dużej odległości od sieci energetycznej i przyłączenie do niej byłoby kosztowne albo niemożliwe. Przykładami takich obiektów są domy i schroniska w górach, domki letniskowe, stacje meteo, latarnie morskie. Systemy autonomiczne są często także wykorzystywane jako źródło niezależnego obwodu elektrycznego, oświetlającego np. ogród w okresie letnim.
W opisanych przypadkach bardzo dobrym rozwiązaniem, także pod względem ekonomicznym, jest stosowanie instalacji fotowoltaicznego jako źródła energii elektrycznej. Szczególnie systemy PV sprawdzają się w domkach letniskowych, które głównie są użytkowane w okresie letnim, kiedy są najkorzystniejsze warunki do pozyskania energii elektrycznej z promieniowania słonecznego.
Najistotniejszą kwestią podczas projektowania instalacji fotowoltaicznej jest dobór wielkości źródła zasilania do zapotrzebowania na energię elektryczną. Należy odpowiednio oszacować zapotrzebowanie energetyczne, aby później dobrać moc modułów słonecznych, a co z tym związane np. pojemność akumulatora. Ważny jest także wybór w jakim okresie, w jakich miesiącach instalacja ma zasilać obiekt.
Oszacowanie dziennego zużycia energii elektrycznej można dokonać spisując moc nominalną, podaną na tabliczkach urządzeń i mnożąc razy czas pracy urządzenia w ciągu dnia. Przykładowo dla żarówki o mocy nominalnej 40 W świecącej przez 10 h/dobę, dzienne zapotrzebowanie wynosi 400 Wh, czyli 0,4 kWh. Następnie sumujemy dzienne zapotrzebowanie na moc wszystkich urządzeń i otrzymamy całkowite dzienne zużycie energii, dla 10 żarówek 40 W świecących przez 10 h/dziennie będzie to 4000 Wh.

Obliczenie mocy nominalnej modułów fotowoltaicznych

Dzienne zużycie pozwala określić wielkość potrzebnego źródła zasilania, czyli moc nominalną zainstalowanych modułów fotowoltaicznych.
Można ją obliczyć wykorzystując poniższy wzór:

Ppv = W / (Z1*Z2*Z3*V)

gdzie:
PPV – moc nominalna modułów [kWp],
W – obliczone wcześniej dzienne zużycie energii [kWh],
V – współczynnik uwzględniający straty zmniejszające wydajność systemu PV,
Z1 – współczynnik związany z położeniem Ziemi, jest to średnia dzienna ilość godzin słonecznych [h/dzień] ,
Z2 – współczynnik związany z odchyleniem od płaszczyzny poziomej,
Z3 – współczynnik związany z temperaturą modułu.

W obliczeniach należy przyjmować wartości współczynników Z1, Z2, Z3 z miesiąca o najmniej korzystnych warunkach do pozyskiwania energii z promieniowania słonecznego w danym okresie, pozwoli to wyliczyć moc instalacji, która wytworzy wystarczającą energię przez cały założony okres. W przypadku systemów fotowoltaicznych, które mają być jedynym całorocznym źródłem energii należy przyjmować wartości współczynników z grudnia, natomiast jeśli instalacja ma w całości zaspokoić potrzeby energetyczne w półroczu letnim należy przyjąć wartości z września. Połać dachu, na której będą zamontowane moduły najlepiej jeśli jest zorientowana w kierunku południowym i odchylona pod kątem 45° od płaszczyzny poziomej i właśnie dla takich warunków jest podany współczynnik Z2. Wartości tych trzech współczynników dla poszczególnych miesięcy zostały przedstawione w poniższej tablicy:

Dobór instalacji fotowoltaicznej w domku letniskowym. Wartości współczynników Z1, Z2, Z3 dla poszczególnych miesięcy

Dobór instalacji fotowoltaicznej w domku letniskowym. Wartości współczynników Z1, Z2, Z3 dla poszczególnych miesięcy

Wartości współczynników Z1, Z2, Z3 dla poszczególnych miesięcy

Farma fotowoltaiczna

Farma fotowoltaiczna (fotografia własna A.Masłowski)

W celu obliczenia ilości energii jaka będzie końcowo dostępna dla odbiorcy z energii jaką mogą nominalnie wytworzyć moduły fotowoltaiczne, należy uwzględnić straty zmniejszające wydajność instalacji fotowoltaicznej. Konieczne jest uwzględnienie strat związanych z wahaniami napięcia, które występują podczas zmian nasłonecznienia i temperatury modułu. Powoduje to, że taki moduł nie pracuje ze swoją mocą maksymalną, straty z tym związane wynoszą 10%. Dodatkowo należy wziąć pod uwagę spadki napięcia, które występują w przewodach, co powoduje kolejne 3% straty. W systemach fotowoltaicznych z zainstalowaną baterią akumulatorów, generowane są jeszcze straty związane z akumulatorem, wynoszące 3%, oraz z przemianą energii elektrycznej w chemiczną i z powrotem w elektryczną, wynoszące średnio 10%. Wartość tych strat zależą od typu i wieku akumulatora oraz od jego temperatury, głębokości rozładowania, wartości ładowania i rozładowania. Podsumowując wartości tych wszystkich strat, dla instalacji bez baterii akumulatorów można przyjąć współczynnik V równy 0,87, natomiast dla systemów współpracującymi z tymi magazynami energii wynoszący 0,76.
Przykładowo moc nominalna modułów dla instalacji o dziennym zapotrzebowaniu 4 kWh, wykorzystywanej tylko w półroczu letnim, wynosi PPV= = 1691 W. Pod obliczoną moc nominalną modułów, należy dobrać moduły o wymaganej mocy, czyli w opisywanym przypadku, mogłyby to być np. 7 modułów o mocy 250 W, lepiej dopasować moc modułów z lekkim zapasem niż niedoborem, ponieważ wraz z wiekiem moc modułów PV minimalnie spada.
Po wyliczeniu potrzebnej mocy modułów, można zakupić instalację fotowoltaiczną o wymaganej mocy już skompletowaną lub dobrać pozostałe elementy takiej instalacji. Przy doborze pozostałych elementów instalacji autonomicznej konieczne jest dobranie akumulatora o odpowiedniej pojemności, który zapewni zapas energii wystarczający na zasilenie obiektu przez około 2 – 3 dni latem i 3-5 dni zimą.

Obliczenie pojemności akumulatora

Pojemność akumulatora obliczamy według zależności :
C = (2*W*F)/U

gdzie:
W – oszacowane wcześniej dzienne zapotrzebowanie na energię elektryczną [Wh],
F – współczynnik związany z rezerwacją energii, wynoszący latem 2,5, a zimą 4,
U – napięcie systemu [V].
W celu przedłużenia żywotności akumulatora, pokrycie zapotrzebowania na energię warto przewidzieć ze stuprocentowym zapasem, pozwoli to uniknąć głębokiego rozładowania. W powyższym wzorze, zapas ten jest uwzględniony dzięki podwojeniu iloczynu dziennego zużycia energii elektrycznej i współczynnika F. Warto zwrócić uwagę, że wyliczona pojemność akumulatora zależy bezpośrednio od dziennego zapotrzebowania energii, nie zależy natomiast od mocy zainstalowanych modułów fotowoltaicznych. Trzeba pamiętać, że łącząc akumulatory szeregowo zwiększamy ich napięcie, natomiast łącząc równolegle sumujemy pojemność, każdego elementu.
Do akumulatora należy odpowiednio dobrać regulator ładowania i inwerter, które będą mogły współpracować z akumulatorami o danej pojemności i pracujących w systemie o danym napięciu.

Obliczenie przekroju przewodów

Następnie przy projektowaniu systemu, należy wyznaczyć przekrój przewodów elektrycznych, które będą łączyć poszczególne elementy instalacji PV. Przekrój przewodów z założeniem 3% liniowych spadków napięcia oblicza się z poniższej zależności :

A = (L*P) / (3%*U*U*p)
gdzie:
A – przekrój przewód [mm2],
L – długość przewodu [m],
P – moc przesyłana [W],
U – napięcie systemu [V],
p – przewodność zależna od rodzaju materiału z którego wykonany jest przewód, dla miedzi σ CU=56 , aluminium σ Al=34 .
Ze względu na wprost proporcjonalny wpływ długości przewodu na przekrój warto ograniczyć odległość modułów od falownika, aby zmniejszyć wymagany przekrój
Na koniec warto zaznaczyć, że przy potrzebie zasilania przez cały rok obiektu lepszym rozwiązaniem jest system hybrydowy, gdzie będzie wykorzystywane kilka źródeł energii Instalacje PV bardzo dobrze współpracują z turbiną wiatrową, ponieważ zaobserwowano, że podczas gorszych warunków słonecznych (zima, noc), zwiększa się prędkość wiatru, powoduje to że oba źródła się uzupełniają i zapewniają stosunkowo stabilne zasilanie.
Wadą systemu niezależnego w porównaniu z podłączonym do sieci jest potrzeba zakupu akumulatora, regulatora ładowania oraz droższego inwertera, koszty te zwiększają koszt całej instalacji nawet o ponad 50%. Kolejną wadą systemów autonomicznych jest, krótki czas żywotności większości elementów, który oprócz modułów PV, wynosi 15 lat. Wszystkie te argumenty powodują, że stosowanie instalacji PV pracujących w systemach niezależnych ma sens dla budynków, które są wykorzystywane okresowo i chcą uniezależnić się od dostaw energii od operatora systemu elektroenergetycznego lub dla budynków oddalonych od sieci elektroenergetycznej.

Bibliografia:
Klugmann-Radziemska E., Odnawialne źródła energii przykłady obliczeniowe, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2007.
Szymański B. Instalacje fotowoltaiczne, Geosystem, Kraków 2014.
Zimny J., Odnawialne źródła energii w budownictwie niskoenergetycznym, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2010.
Chmielniak T., Technologie energetyczne, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2008.

Opracował
mgr inż. Maciej Stronka

Author: Adam Masłowski

Share This Post On

8 komentarzy

  1. A mozna by dodac mala turbine wiatrowa? I jak by sie to mialo do pracy sytemu?w turbinach wystepuja jakies straty albo wspolczynniki?

    Post a Reply
    • tak, istnieje możliwość stworzenia układu zasilanego z paneli oraz turbiny wiatrowej. pozdrawiam

      Post a Reply
  2. Dzień dobry,
    orientuje się Pan może czy przy projektowaniu hali ładowania baterii z paneli PV stosowane są jakieś konkretne wymagania? Np. dotyczące wentylacji itp?

    Post a Reply
  3. Dzień dobry,
    orientuje się Pan może czy przy projektowaniu hali ładowania baterii z paneli PV stosowane są jakieś konkretne wymagania? Np. dotyczące wentylacji itp?

    Post a Reply
    • witam.
      jest kilka norm elektrycznych z zakresu ładowania baterii. wentylacje należy zaprojektować zgodnie z normami.
      PN-EN 50272-2:2007 – Wymagania dotyczące bezpieczeństwa baterii wtórnych i instalacji baterii — Część 2: Baterie stacjonarne
      Zakres
      Dotyczy akumulatorów stacjonarnych o napięciu maksymalnym 1500 V: kwasowo ołowiowych i niklowo kadmowych. Ustalono wymagania dotyczące bezpieczeństwa związane z montażem, użytkowaniem, kontrolą, konserwacją i likwidacją. W normie podano 19 definicji

      PN-EN 60896-22:2007 – Baterie ołowiowe stacjonarne — Część 22: Typy wyposażone w zawory — Wymagania
      Zakres
      Dotyczy wszystkich stacjonarnych ogniw i baterii monoblokowych ołowiowych z zaworami, stosowanych do doładowywania (tj. na stałe podłączonych do obciążenia i do źródła zasilania prądu stałego), w stałym miejscu (tj. nie przewidzianych do przenoszenia z miejsca na miejsce) i włączonych do stałego wyposażenia lub zainstalowanych w akumulatorniach, do użytku w telekomunikacji, UPS (bezprzerwowe zasilanie), do zasilania sprzętu, zasilania awaryjnego lub w podobnych zastosowaniach. Przedmiotem tej części normy jest wyjaśnienie celu każdego badania zawartego w części 21 tej normy, dla spełnienia wymagań dotyczących baterii w poszczególnym zastosowaniu przemysłowym i warunkach działania. Normę należy stosować w połączeniu z metodami badań opisanymi w części 21 normy, dotyczącymi wszystkich typów i konstrukcji stacjonarnych ogniw i baterii monoblokowych ołowiowych z zaworami stosowanych do zasilania rezerwowego

      PN-EN 61056-2:2013-05 – Akumulatory kwasowo-ołowiowe ogólnego zastosowania (typy wyposażone w zawory) — Część 2: Wymiary, końcówki i znakowanie
      Zakres
      Niniejsza część normy IEC 61056 podaje wymiary, końcówki i znakowanie dla wszelkich akumulatorów kwasowo-ołowiowych ogólnego zastosowania, zaopatrzonych w zawór bezpieczeństwa (VRLA). Norma dotyczy zarówno akumulatorów przeznaczonych do cyklicznych ładowań i wyładowań, jak i do pracy w trybie ciągłego podładowywania (float charge). Akumulatory tego typu stosowane bywają w urządzeniach przenośnych (narzędzia, zabawki, itp.), lub też do zasilania rezerwowego. Ogniwa tego rodzaju akumulatora ołowiowo-kwasowego mogą mieć płaskie elektrody w pryzmatycznych pojemnikach lub spiralne pary elektrod w cylindrycznych pojemnikach. Kwas siarkowy w tych celach jest uwięziony pomiędzy elektrodami poprzez zaabsorbowanie w strukturze mikroporowatej lub w postaci żelu. Norma ta określa wymiary długości baterii, wysokości i szerokości, jak również kształty końcówek biegunowych. Ogniwa tego rodzaju akumulatora ołowiowo-kwasowego , które są opisane w tej normie powinny być badane zgodnie z wymaganiami normy IEC 61056-1. Niniejsza część normy IEC 61056 nie dotyczy akumulatorów kwasowo-ołowiowych stosowanych do zapłonu silników (IEC 60095 series), akumulatorów trakcyjnych (IEC 60254 series) i stacjonarnych(IEC 60896 series). Zgodność z tą normą wymaga, aby wymiary, końcówki biegunowe i znakowanie były zgodne z wymaganiami.

      PN-E-83016:1999 – Akumulatory ołowiowe — Ogniwa i baterie akumulatorowe przenośne (typy wyposażone w zawory) — Zalecenia dotyczące bezpieczeństwa stosowania w urządzeniach elektrycznych
      Zakres
      Omówiono ołowiowe ogniwa i baterie akumulatorowe przenośne z zaworami mające zastosowanie w pracy cyklicznej, na przykład w przenośnych urządzeniach, narzędziach, zabawkach itp.

      Źródło: http://www.pkn.pl
      Wszystko zależy jakie baterie będą ładowane, jakim prądem itp.

      Post a Reply
      • Serdecznie dziękuję za wyczerpującą odpowiedź,
        pozdrowienia

        Post a Reply
  4. Dzień dobry.
    Czy instalację fotowoltaiczną służąca do zasilania w energię elektryczną domu / obiektu budowlanego może projektować projektant branży sanitarnej?

    Post a Reply
    • A czy instalacja fotowoltaiczna to instalacja elektryczna czy sanitarna? Moim zdaniem elektryczna, czyli może ją projektować wyłącznie projektant instalacji elektrycznych.

      Post a Reply

Submit a Comment

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *