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:
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