- Projektowanie systemów off-grid wg Zeszytów dla elektryków Nr 13 „Budowa i eksploatacja systemów PV”
Wiadomości wstępne
Instalacje fotowoltaiczne typu wyspowego (off-grid), zyskują ostatnio na znaczeniu w wyniku problemów z przyłączaniem nowych systemów do sieci EE, jak też wzrostu popularności domowych magazynów energii. W odróżnieniu do instalacji typu on-grid, instalacja wyspowa nie wymaga drugiego licznika energii, rozliczania się z zakładem energetycznym za wprowadzoną do sieci energię, czy (w skrajnym przypadku) zakładania działalności gospodarczej. Ma jednak pewne ograniczenia w korzystaniu z energii. System wyspowy w pełni autonomiczny jest w stanie wytwarzać tylko energię elektryczna czynną, nie produkuje natomiast mocy biernej, niezbędnej do zasilania wielu urządzeń i maszyn elektrycznych. Jak się za chwilę przekonamy, koszt instalacji wyspowej gwałtownie też rośnie wraz ze wzrostem mocy i wymagań ze strony urządzeń domowych (np. pompy c.o. z tzw. „pełnym sinusem”).
Projektowanie instalacji typu off-grid jest często intuicyjne. Trudno w tym wypadku przewidzieć wszystkie konsekwencje jej działania w przyszłości. Instalacja elektryczna w domu jest w większości przypadków mobilna pod względem poboru mocy. Wraz ze wzrostem dochodów mieszkańców, zakupem nowych urządzeń domowych (komputery, mikrofalówki, zmywarki do naczyń, odkurzacze, suszarki, lokówki, itp.) zmienia się zapotrzebowanie na moc ze strony instalacji. W przypadku systemów podłączonych do sieci EE dostępna moc widnieje zawsze na umowie z zakładem energetycznym i wynosi w przypadku domków jednorodzinnych zwykle 10-16kW. Dla instalacji PV wyspowej dostępna moc raczej maleje z wiekiem paneli i wiąże się z ich stopniowym starzeniem. Rozbudowa instalacji o nowe jednostki jest z kolei bardzo skomplikowana i wiąże się z wymianą także innych komponentów instalacji, często bardzo drogich. Przeprojektowywanie systemów z myślą o zwiększonym zapotrzebowaniu na moc w przyszłości jest z kolei błędne i może prowadzić do wadliwego jej działania.
Wybór instalacji wyspowej jako systemu autonomicznego musi być więc przemyślany i brać pod uwagę wszystkie konsekwencje w przyszłości. Osoby które planują zmiany powinny się zdecydować na system biwalentny zasilany z sieci, gdzie instalacja off-grid pełni tylko rolę uzupełnienia mocy i zasila odbiorniki nie podłączone do sieci (np. oświetlenie garażu, ogrodu, telewizor w przybudówce, itp.).
7.5.2 Dobór paneli PV i regulatora ładowania (na podstawie Instalacje fotowoltaiczne B. Szymański)
Zanim zajmiemy się wyborem regulatora ładowania musimy przyjąć do rozważań typowa budowę instalacji, aby policzyć jej najważniejsze parametry
– pobór maksymalny mocy chwilowej
– dobowy pobór energii
Dla naszych obliczeń przyjmijmy, że nasza instalacja będzie zasilać domek letniskowy w okresie czerwiec-wrzesień, a w jej skład będzie wchodzić:
– telewizor (70W)
– lodówka (120W, 182kWh/rok)
– laptop (70W)
– oświetlenie (max 100W)
– inne (np. ładowarki do akumulatorów 20W)
Przyjmijmy, że w domu nie ma odkurzacza, a wszystkie narzędzia mają napęd akumulatorowy. W ogrodzie kosiarka jest spalinowa. Nasze dzienne zapotrzebowanie na energie wyniesie:
Tabela. Dzienne zapotrzebowanie na energię
| Lp. | Rodzaj sprzętu | pobór mocy chwilowy [W] | ilość godzin | pobór mocy dobowy [kWh] |
| 1 | telewizor | 70 | 5 | 0,35 |
| 2 | lodówka | 120 | 0,5 | |
| 3 | oświetlenie | 100 | 4 | 0,4 |
| 4 | laptop | 70 | 2 | 0,14 |
| 5 | ładowarki | 20 | 3 | 0,06 |
| RAZEM | 380W | 1,45kWh |
lodówka: 182/365 ≈ 0,5kWh/dobę
Jeśli przyjmiemy najbardziej skrajną sytuację, że wszystkie domowe urządzenia pracują jednocześnie, to pobór mocy chwilowy wyniesie 380W.
1. Obliczenie wymaganej mocy paneli fotowoltaicznych
Nasza instalacja będzie pracować głównie w miesiącach letnich, czerwiec-wrzesień. Dla tego okresu średnie nasłonecznienie jest większe niż średnioroczne dla danego obszaru. Poniżej podano wyniki nasłonecznienia dla Krakowa. Dla interesującego nas okresu nasłonecznienie wyniesie:
(165+168+144+100)/122 = 4,73 kWh/dobę
gdzie 122 – ilość dni
Rys. Wykres nasłonecznienia dla Krakowa
Z powyższego wykresu wynika, że w najlepszym miesiącu lipcu nasłonecznienie sięga 168/31 = 5,42 kWh/dobę, we wrześniu 100/30 = 3,33 kWh/ dobę, ale średnio dla całego czteromiesięcznego okresu wyniesie 4,73 kWh/dobę. Teoretycznie obliczenia powinniśmy prowadzić dla najsłabszego okresu, czyli dla września. Jednak wtedy instalacja zostanie mocno przewymiarowana. Korzystniej jest przyjąć średnią czteromiesięczną. Wymaganą moc paneli PV można obliczyć ze wzoru:
gdzie:
W – dobowe zapotrzebowanie energii w kWh
STC – odniesienie do warunków STC czyli 1kW/m2
Z1– współczynnik korekcyjny uwzględniający kąt nachylenia paneli i azymut względem południa
Z2– współczynnik uwzględniający temperaturę paneli
η – sprawność całej instalacji ( sprawność związana ze stratami na przewodach, na regulatorze ładowania, akumulatorze i przetwornicy napięcia, poszczególne składniki wynoszą:
– przewody 97%
– regulator ładowania 95-98%
– akumulator, straty zależą od temperatury pracy, w okresie letnim sprawność jest wysoka można przyjąć 95%
– przetwornica napięcia – 85-92%
przyjmując najmniejsze wartości mamy:
0,97×0,95×0,95×0,85 = 0,74
2 – dodatek uwzględniający gorsze warunki pogodowe ( w praktyce warunki STC stanowią zaledwie kilka procent całego okresu, znacznie częściej panele pracują przy częściowo pochmurnym niebie, co powoduje spadek ich mocy nawet o 50%, stąd współczynnik korekcyjny 2)
Przyjmijmy do dalszych obliczeń, że nasze panele będą ustawione na południe i nachylone pod kątem 45 stopni, stąd współczynnik Z1 wyniesie 1,12. Współczynnik temperaturowy dla całego okresu wyniesie:
(0,9+0,88+0,88+,9)/4 = 0,89
A całkowita moc paneli:
Przy założeniu, że instalacja będzie współpracować z akumulatorami 24V i regulatorem ładowania bez MPPT panele będą musiały spełnić wymagania napięcia i natężenia prądu w stringu, przy czym wymagane natężenie prądu z paneli wyniesie:
Przyjęto 4 panele 260W o parametrach:
Isc = 8,67A
Voc = 37,92V
Panele będą połączone w sposób równoległy, stąd:
Ipv = 4 x 8,67 = 34,68A
2. Dobór regulatora ładowania
Regulator ładowania powinien posiadać parametry:
Ireg = 1,15Ipv= 1,15 x 34,68= 39,88 A
Vreg = 1,2Voc = 1,2 x 37,92 = 45,5V
Dobrano regulator ładowania o dopuszczalnym natężeniu na wejściu 40A i max napięciu stringu 50V.
7.5.3 Dobór akumulatorów
Przyjęliśmy, że w naszej instalacji zostaną zamontowane akumulatory 24V. Zachodzi teraz pytanie – jaką pojemność powinny posiadać? Odpowiedź nie jest jednoznaczna, bowiem zależy od wielu czynników. Poniżej zostaną zaprezentowane różne metody liczenia pojemności baterii z uwagi na zalecenia producenta akumulatorów, wielkości kompensacji energii, a także dobranej przetwornicy napięcia.
Według producenta – z uwagi na trwałość akumulatora przeznaczonego do pracy cyklicznej (taka występuje w instalacjach off-grid), należy przestrzegać następujących zasad:
– akumulator nie powinien być zbytnio rozładowywany, procent rozładowania akumulatora wpływa na maksymalną ilość cykli ładowania i rozładowania jakie może wytrzymać. Przykładowo: akumulator żelowy który wytrzyma tylko 300 cykli całkowitego 100% rozładowania, wytrzyma,
700 rozładowań 50% (za każdym razem pobieramy z akumulatora 1/2 pojemności),
1500 rozładowań 30% (za każdym razem pobieramy z akumulatora 1/3 pojemności)
– akumulator powinien pracować w temperaturze znamionowej, która wynosi 20C, w niższej temperaturze spada pojemność akumulatora, w wyższej rośnie, ale gwałtownie spada żywotność
TABELA Żywotność akumulatorów Victron w zależności od temperatury i stopniu rozładowania (głęboki 80%, długa żywotność 30%)
Z uwagi na powyższe pojemność akumulatora może być obliczona ze wzoru:
gdzie:
Ah – pojemność akumulatora w amperogodzinach [Ah]
W – dobowe zużycie energii w [Wh]
24 – napięcie akumulatora
0,3 stopień rozładowania (przyjęto 30%)
Obliczenia: 
Pojemność możemy też obliczyć ze wzoru na czas pracy akumulatora, przy czym w naszym przypadku czas ten jest jest trudny do określenia, akumulator zasila przez 5 godzin telewizor, ale o małej mocy, przez jakąś część doby zasila lodówkę. Trudno określić w tym przypadku jaką moc i przez ile godzin podaje akumulator. Jeśli założyć skrajny przypadek, czyli 5h i 380W, to otrzymamy:
gdzie:
h – czas pracy akumulatora
P – moc pobierana z akumulatora
1,6 – współczynnik poprawkowy na niepełne rozładowanie (zalecany przez producenta)
24 – napięcie akumulatora
Jak widać otrzymana wartość jest dużo mniejsza, gdyż przyjęliśmy tutaj poziom rozładowania 62,5% (100/1,6).
Minimalna pojemność akumulatora z uwagi na prąd ładowania
Akumulator musi być ładowany prądem stałym którego wartość powinna się zawierać w granicach 0,1-0,3C, gdzie C – jest pojemnością akumulatora. Biorąc pod uwagę ten warunek, pojemność można wyznaczyć ze wzoru:
gdzie:
Ipv – maksymalne natężenie prądu z tablicy PV
0,3 – maksymalny współczynnik prądu ładowania
Idąc za ciosem możemy w tym wypadku wyznaczyć także maksymalną dopuszczalną pojemność akumulatorów biorąc pod uwagę minimalny prąd ładowania. Dla większości jednostek sprzedawanych na rynku minimalny prąd nie może być mniejszy niż 0,05C. Trzeba tutaj założyć kolejny skrajny warunek, że w czasie ładowania wystąpi słabsze oświetlenie i wydajność prądowa paneli wyniesie tylko 50% warunków STC. Maksymalna pojemność wyniesie:
7.5.4 Dobór przetwornicy napięcia
Przetwornica napięcia powinna być tak dobrana, aby zapewniła wymagany prąd dla skrajnego przypadku (wszystkie urządzenia pracują). Często należy też wziąć pod uwagę wymagany prąd rozruchowy poszczególnych urządzeń, który może być wielokrotnie większy od prądu pracy. Biorąc pod uwagę powyższe zaleca się, aby moc przetwornicy była do 50% wyższa od mocy urządzeń.
W naszym przypadku Pp = 1,5 x 380W = 570W
Dobrano przetwornicę 500W
Teraz sprawdźmy jeszcze, jak moc przetwornicy wpłynie na wymaganą pojemność akumulatorów. Przy założeniu 5h pracy przetwornicy pojemność ta wyniesie:
Podsumowanie:
Z naszych obliczeń wynika, ze do opisywanej instalacji należy dobrać akumulatory o minimalnej pojemności 201,4Ah i nie większej niż 346,8Ah. Przyjęto dwa akumulatory 12V o pojemności 200Ah połączone szeregowo.