ELEKTROWNIA SŁONECZNA NA POTRZEBY GOSPODARSTWA DOMOWEGO Postępujący rozwój cywilizacyjny społeczeństwa wiąże się z coraz większym zapotrzebowaniem na energię. Jej wytwarzanie metodami tradycyjnymi poprzez spalanie paliw kopalnych przynosi degradację ekosystemu, w którym żyjemy. Jednocześnie coraz większa świadomość konieczności ochrony środowiska naturalnego i będące jej wynikiem działania proekologiczne zmierzają w kierunku wykorzystania alternatywnych źródeł energii, energii odnawialnej, energii słońca, wiatru i wody. Wykorzystanie energii odnawialnej to obecnie ekologiczny trend widoczny we wszystkich świadomych i rozwiniętych społeczeństwach. Nie inaczej jest w naszym kraju. Rosnące ceny energii powodują chęć uniezależnienia się od negatywnych dla budżetów domowych procesów, na które nie mamy wpływu. Stąd sięganie po nowoczesne rozwiązania alternatywne. Jednym z najbardziej efektywnych i ekologicznie czystych sposobów pozyskiwania i gromadzenia energii na potrzeby gospodarstw domowych są elektrownie słoneczne. Pozwalają one pokryć w znacznym procencie roczne zapotrzebowanie gospodarstwa na energię elektryczną i uniezależnić się od chwilowych wyłączeń lub awarii sieci energetycznej. Jednocześnie mogą pozostawać w symbiozie z tradycyjną siecią energetyczną i bez udziału użytkownika automatycznie w razie potrzeby przełączać źródła zasilania gospodarstwa udzielając priorytetu energii elektrycznej ze słońca. W niniejszym opracowaniu przedstawiamy posiadający już kilka realizacji, działający bezawaryjnie i sprawdzony solarny system energetyczny przeznaczony dla gospodarstw i domów jednorodzinnych. Dostarcza on prądu elektrycznego o napięciu 230V 50Hz i mocy 3kW do zasilania jednofazowych odbiorników domowych, którego źródłem jest darmowa energia słoneczna. Do Ziemi dociera promieniowanie słoneczne o mocy 1,36 kw/m 2. Suma energii słonecznej przypadającej na 1 m 2 powierzchni w Polsce wynosi od 900 do 1200 kwh/m 2. Szacunkowo przyjmuje się 1000 kwh/m2. Jednocześnie na obszarze kraju energia słoneczna jest dostępna przez 1390 do 1900 h w roku, średnio ok. 1600 h rocznie. Średnie wartości napromieniowania mieszczą się w granicach 600 800 W/m 2. W najgorętszych dniach letnich wartość ta może wynosić nawet do 1200 W/m 2. W tych warunkach możliwa staje się budowa opłacalnej instalacji do pozyskiwania energii elektrycznej ze słońca.
Przewidywana roczna produkcja energii elektrycznej Źródłem energii dla systemu solarnego jest promieniowanie słoneczne przetwarzane na prąd elektryczny za pomocą monokrystalicznych krzemowych modułów fotowoltaicznych. Wartość generowanej przez moduł fotowoltaiczny mocy elektrycznej jest ściśle uzależniona od poziomu nasłonecznienia. Wartość rocznej produkcji energii elektrycznej określono przy pomocy oprogramowania Performance of Grid-connected PV udostępnionego przez European Commission Joint Research Centre Ispra, Italy. Dane odnośnie poziomu radiacji słonecznej dla przykładowej lokalizacji geograficznej Olsztyn zaczerpnięto z bazy danych PVGIS-CMSAF zawierającej meteorologiczne dane statystyczne oparte na pomiarach naziemnych oraz kalkulacje oparte na danych satelitarnych. Geograficzne położenie przykładowej lokalizacji określono jako 53 46'30" szerokości geograficznej północnej, oraz 20 28'50"długości geograficznej wschodniej. Wykonane z krzemu monokrystalicznego moduły, odpowiednio rozmieszczone na dachu domu lub w ogrodzie od strony południowej, zapewniają konwersję energii słonecznej ze sprawnością rzędu 16 17%. Stąd ok. 12 m 2 powierzchni modułów PV pozwoli uzyskać moc elektryczną rzędu 2 kw. Uwzględniając straty energii na poszczególnych etapach jej pozyskiwania, konwersji i przesyłania, w tym: - 8,1% - wpływ temperatury otoczenia - 3,0% - odbicia promieni słonecznych od powierzchni modułów PV - 14,0 % - rezystancja instalacji kablowej, inwertery itp. obliczamy łączne straty na poziomie 23,3 %. W tych warunkach elektrownia słoneczna o mocy pola PV = 2 kw statystycznie wytworzy energię elektryczną jak w poniższej tabeli: System stały (bez trackerów): kąt elewacji=36 deg, kąt odchylenia od kierunku południowego=0 deg. Miesiąc Ed Em Hd Hm Styczeń 1.49 46.2 0.87 27.1 Luty 2.71 76.0 1.62 45.4 Marzec 5.64 175 3.47 108 Kwiecień 7.98 239 5.15 154 Maj 8.28 257 5.55 172 Czerwiec 7.94 238 5.39 162 Lipiec 7.76 241 5.35 166 Sierpień 6.93 215 4.70 146 Wrzesień 6.18 185 4.03 121 Październik 3.52 109 2.22 68.9 Listopad 1.83 54.9 1.10 33.0 Grudzień 1.07 33.2 0.63 19.6 Średnia miesięczna 5.12 156 3.35 102 Łącznie za rok 1870 1220 Legenda: Ed średnia dzienna produkcja energii elektrycznej w kwh Em średnia miesięczna produkcja energii elektrycznej w kwh Hd średnia dzienna suma całkowitego napromieniowania słonecznego w kwh/m 2 Hm - średnia suma całkowitego napromieniowania słonecznego w kwh/m 2 Elektrownia jest w stanie dostarczyć rocznie ok. 1870 kwh energii elektrycznej.
Topologia i opis funkcjonalny elektrowni słonecznej Rys.nr 2. Schemat topologiczny elektrowni solarnej Sercem elektrowni solarnej jest wykonany w zaawansowanej technologii, mikroprocesorowo sterowany inwerter typu TN-3000 firmy Mean Well zawierający w sobie wszystkie niezbędne układy i zabezpieczenia niezbędne do poprawnej pracy całego systemu. Jest to urządzenie programowane, co umożliwia dostosowanie jego parametrów i sposobu pracy do określonych wymagań użytkownika. Do naszych zastosowań został wybrany model TN-3000-248 przystosowany do pracy z parametrami krajowej sieci energetycznej. Energia elektryczna wytwarzana przez pole modułów fotowoltaicznych doprowadzana jest do inwertera przez amperomierz DC 40A, który umożliwia bieżące monitorowanie pracy modułów PV. Dobór modułów determinowany jest parametrami wejścia solarnego inwertera: U we max = 75V, I we max = 30A, których przekroczenie może spowodować awarię urządzenia. Wbudowana w urządzenie ładowarka solarna ładuje baterię akumulatorów o napięciu 48V. Ponieważ maksymalny prąd ładowania baterii wynosi 30A, do inwertera TN-3000 można podłączyć akumulatory o pojemności do 300 Ah. W takiej baterii akumulatorów można zgromadzić energię równą E B = 48 V * 300 Ah = 14,4 kwh Ponieważ zabezpieczenia inwertera nie pozwalają na całkowite rozładowanie baterii (urządzenie wcześniej wyłączy się), do dyspozycji użytkownika pozostaje ok. 12 kwh. Prąd stały z baterii akumulatorów DC 48V za pomocą przetwornicy DC/AC przetwarzany jest na prąd przemienny 230V 50 Hz i poprzez licznik energii elektrycznej LE2 zasila jednofazowe odbiory w gospodarstwie domowym.
Jednocześnie do inwertera TN-3000, przez licznik LE1, dołączone jest zasilanie 230V 50 Hz z sieci energetycznej. Stanowi ono pomocnicze źródło energii w przypadku, gdyby energii solarnej nie było wystarczająco dużo. Jeżeli mimo pracy ładowarki solarnej bieżący pobór mocy z urządzenia będzie taki, że akumulatory nie będą mogły być naładowane, wówczas dodatkowo zostanie uruchomiona ładowarka sieciowa, która prądem 6A wspomoże ładowanie akumulatorów. Jeżeli mimo wszystko akumulatory zostaną rozładowane, urządzenie TN-3000 włączy bypass, czyli wyłączy wewnętrzną przetwornicę, a przekieruje napięcie sieci bezpośrednio na wyjście inwertera zasilając odbiory bezpośrednio energią z sieci. Jednocześnie zapewni ładowanie akumulatorów energią solarną (jeżeli będzie dostępna) oraz energią z sieci. Podczas pracy w trybie bypass także istnieje ograniczenie poboru mocy z urządzenia do poziomu 3 3,5 kw. Dbają o to wewnętrzne układy zabezpieczeń przed przeciążeniem inwertera. Jeżeli akumulatory zostaną w pełni naładowane, ładowarki oraz bypass zostaną wyłączone, a zostanie uruchomiona przetwornica, z wyjścia której prąd AC zostanie skierowany do wyjścia inwertera. Ważnym elementem elektrowni jest jej opomiarowanie, które pozwala zmierzyć osiągane efekty. Licznik LE1 mierzy energię pobraną z sieci energetycznej, licznik LE2 energię całkowitą odebraną z inwertera przez instalację domową. Różnica wskazań tych liczników daje informację o ilości energii elektrycznej pozyskanej ze słońca. E SOLARNA = LE2 LE1 [kwh] Inverter TN-3000 umożliwia zaprogramowanie go w jednym z dwóch trybów pracy (do wyboru): 1 - Tryb UPS System utrzymuje baterię akumulatorów w stanie naładowania, a pracuje w trybie bypass. Przetwornica DC/AC uruchamiana jest tylko wówczas, gdy zabraknie napięcia w sieci. Jest to tryb gwarantowanego napięcia. 2 Tryb Oszczędzania Energii System korzysta z energii sieci tylko wówczas, gdy niewystarczająca lub niedostępna jest energia słoneczna, i rozładowane są akumulatory. Jeżeli akumulatory zostaną naładowane przy pomocy ładowarki bądź to solarnej, bądź ze wspomaganiem ładowarką sieciową, system wyłączy bypass i uruchomi przetwornicę. Energia do odbiorów domowych będzie dostarczana z bieżącej dostępnej energii solarnej uzupełnianej energią z akumulatorów. Pracę domowej elektrowni najlepiej prześledzić na poniższych diagramach, które uwzględniają wszystkie sytuacje, jakie w systemie mogą zaistnieć (patrz rys. nr 3 i 4). Tryb UPS t1: Aby zapewnić pełne naładowanie baterii, podczas włączenia TN-3000, urządzenie przejdzie w tryb Bypass automatycznie przełączając sieć AC do obciążenia. Obydwie ładowarki (solarna i AC) zostają włączone, aby jednocześnie ładować akumulatory. t2: W chwili, gdy baterie zostaną w pełni naładowane (ich napięcie wyniesie ok. 57V), wyłączone zostaną ładowarki (solarna i AC), aby zapobiec przeładowaniu akumulatorów, co mogłoby zmniejszyć ich żywotność. Urządzenie pozostaje w trybie Bypass (napięcie zasilania odbiorów pochodzi z sieci publicznej). t3: Przetwornica nadal jest w trybie Bypass. Napięcie akumulatorów spada ze względu na pobór prądu zerowego (mimo braku obciążenia akumulatorów, płynie niewielki prąd). Gdy akumulatory
zostaną rozładowane do około 75% ich nominalnej pojemności (napięcie ok. 53V), mikrokontroler ponownie załączy ładowarkę. Punktem odniesienia jest tu prąd ładowania 3A. Jeżeli wydajność prądowa paneli słonecznych jest poniżej 3A (noc lub duże zachmurzenie), włączona zostanie ładowarka AC. Jeżeli wydajność prądowa paneli będzie powyżej 3A, zamiast ładowarki AC podłączona zostanie ładowarka solarna. Rys. nr 3. Diagram obrazujący działanie elektrowni w trybie UPS t4: Ponieważ w tej chwili energia dostarczana przez ładowarkę jest większa niż ta pobierana z akumulatorów przez urządzenie, napięcie akumulatorów wzrośnie do ok 57V. Mikroprocesor odłączy ładowarkę, aby uniknąć przeładowania akumulatorów. W tym czasie odbiory dalej są zasilane przez urządzenie. t5: Odkąd ładowarki są wyłączone, napięcie baterii będzie spadać. Sytuacja z punktu t4 będzie się powtarzać i napięcie akumulatorów będzie wahać się w granicach 53~57V. W przypadku, gdy odłączona zostanie sieć energetyczna, urządzenie przejdzie natychmiast w stan pracy inwertora (czas przełączania <10ms) zapewniając nieprzerwaną dostawę energii do obciążenia. t6: Gdy przywrócone zostanie napięcie z sieci energetycznej, urządzenie przejdzie z powrotem w tryb Bypass. t7: Gdy napięcie baterii spadnie poniżej 53V, ładowanie zostanie aktywowane (szerszy opis w punkcie t3) t8: Tak samo jak w punkcie t4
t9: Ze względu na brak obecności zasilania sieciowego, TN-3000 przełączy się w tryb inwertora. Ładowanie z sieci będzie odłączone. Odkąd wyjście AC zależy jedynie od energii dostarczanej przez akumulatory, te będą rozładowywane dość szybko. t10: Gdy baterie zostaną rozładowane do poziomu ich napięcia ok. 53V oraz napięcie w sieci energetycznej nie zostanie przywrócone, aktywowana zostanie jedynie ładowarka solarna. Baterie będą rozładowywane dość szybko. t11: Patrz tryb oszczędzania energii elektrycznej punkt t8 t12: Gdy panele słoneczne będą dostarczać prąd o wartości powyżej 3A, powoli podniesie się poziom naładowania akumulatorów. W chwili gdy osiągną one poziom naładowania pozwalający na załączenie się przetwornicy, zostanie przywrócona praca inwertora. t13: Gdy zasilanie sieciowe, nadal jest niedostępne natomiast akumulatory osiągną wartość napięcia na poziomie 57V, ładowarka solarna wyłączy się, natomiast praca inwertora nie zostanie przerwana. Tryb Oszczędzania Energii Rys. nr 4. Diagram obrazujący działanie elektrowni w trybie Oszczędzania Energii
t1 : Podczas włączenia przetwornicy, mikroprocesor wprowadza ją w stan Bypass Mode automatycznie przełączając napięcie z sieci energetycznej na wyjście przetwornicy. W tym czasie włączone zostają obie ładowarki, zarówno sieciowa, jak i solarna, aby jednocześnie ładować akumulator. t2 : Gdy bateria zostanie naładowana (do napięcia około 57V) obie ładowarki zostają wyłączone, aby zapobiec przeładowaniu akumulatora przeładowanie mogłoby znacznie skrócić jego żywotność. W tym samym czasie urządzenie przechodzi w tryb inwerter mode przetwarzając energię zgromadzoną w akumulatorach na wyjściowe napięcie zasilania odbiorów. t3 : Gdy baterię zostaną rozładowane do poziomu 75% ich pojemności (napięcie około 53V) ładowarka zasilana bateriami słonecznymi zostanie ponownie uruchomiona. Nie zostanie jednak uruchomiona ładowarka sieciowa w celu zaoszczędzenia energii elektrycznej. t4 : Jeśli energia pochłaniana przez odbiory jest mniejsza niż dostarczana przez baterie słoneczne, akumulatory zostaną ponownie naładowane do poziomu 90% ich pojemności (około 57V), ładowarka zostanie wyłączona, aby nie przeładować akumulatorów. t5 : Gdy baterie zostaną rozładowane do poziomu 75% ich pojemności (napięcie około 53V) ładowarka solarna zostanie ponownie uruchomiona. t6 : Jeśli energia pochłaniana przez odbiory będzie większa niż dostarczana przez baterie słoneczne, akumulatory będą nadal rozładowywane. Gdy akumulatory zostaną rozładowane do 20% ich pojemności (napięcie około 45V), zostanie uruchomiony alarm dźwiękowy informując użytkownika o niskim poziomie naładowania baterii. t7: Jeśli energia pochłaniana przez odbiory nie zmniejszy się oraz napięcie na wejściu AC będzie dostępne, przetwornica przejdzie w tryb Bypass Mode. Napięcie z sieci energetycznej zapewni energię elektryczną urządzeniom zasilanym z wyjścia przetwornicy, jednocześnie ładując akumulatory, aby zapobiec wyłączeniu urządzenia. Jeżeli prąd dostarczany przez panele słoneczne jest wyższy niż 3A, ładowarka sieciowa nie zostanie włączona. Ładowanie akumulatorów, w celu obniżenia zużycia energii elektrycznej, zapewni ładowarka solarna. t8 : Jeśli na wejściu nie będzie dostępna sieć AC (np. z powodu awarii), mikrokontroler, aby uniknąć tzw. głębokiego rozładowania akumulatorów wyłączy cały system zasilania w chwili, gdy poziom naładowania akumulatorów spadnie poniżej 10% ich pojemności (napięcie ok. 42V), w celu zapobiegnięcia głębokiego rozładowania akumulatorów, co mogłoby spowodować skrócenie ich żywotności. Po wyłączeniu, zaświeci się dioda LED informująca użytkownika, że urządzenie zostało wyłączone. Zdalny monitoring elektrowni Inverter TN-3000 zawiera w sobie wszystkie niezbędne elementy przeznaczone do zaprogramowania sposobu jego działania oraz sygnalizacji stanu pracy. Jednak z racji wymogów technicznych musi on znajdować się w pobliżu akumulatorów (wymagane jak najkrótsze połączenie z akumulatorami). Dla wygody użytkownika przewidziano możliwość zastosowania opcjonalnego zdalnego pulpitu do sterowania i monitoringu stanu elektrowni, lub też podłączenia komputera PC z odpowiednim oprogramowaniem (Inverter TN V.1.1.). W tym drugim przypadku istnieje możliwość analizy danych statystycznych związanych z pracą inwertera zarejestrowanych przez urządzenie, oraz zaprogramowania wszystkich wewnętrznych parametrów systemu, np. dostosowanie go do posiadanego typu akumulatorów.
Projekt i wykonawstwo Prezentowane rozwiązanie jest hybrydowym systemem integrującym w sobie elektrownię solarną z siecią energetyczną oraz wewnętrzną instalacją elektryczną budynku. Z tego względu wymaga przygotowania projektu instalacji uwzględniającego uwarunkowania konkretnej lokalizacji. W projekcie należy przewidzieć modyfikację rozdzielnicy elektrycznej domu w taki sposób, aby wydzielić obwody przeznaczone do zasilania z systemu solarnego biorąc pod uwagę, że ze względu na koszty - jest to system jednofazowy. Łączna moc chwilowa odbiorów nie powinna przekraczać mocy nominalnej 3 kw, w przeciwnym razie nastąpi automatyczne wyłączenie systemu i dołączone obwody zostaną pozbawione zasilania do czasu zresetowania i ponownego załączenia inwertera przez użytkownika. Oczywiście istnieje możliwość zaprojektowania hybrydowego solarno-sieciowego systemu energetycznego trójfazowego o znacznie większej niż 3kW mocy (nawet kilkaset kw). Ze względu na koszty budowy takiej instalacji powinny to być projekty indywidualne. W elektrowni solarnej można zastosować dowolne moduły fotowoltaiczne mono- lub polikrystaliczne dobrane i połączone ze sobą w taki sposób, aby nie przekroczyć maksymalnych parametrów wejścia DC inwertera TN-3000, tj. U we max = U OC = 75V, oraz I we max = I SC = 30A. Typ inwertera należy dobrać w zależności od żądanej mocy, jaką elektrownia powinna dostarczać, i od środków finansowych jakie na ten cel chcemy przeznaczyć. Wydaje się, że wybór powinien zamknąć się w granicach mocy 1500 3000W. Mniejsze moce są zbyt małe na potrzeby gospodarstwa domowego, budowa większych elektrowni wymaga już wyższych nakładów. Liczba akumulatorów tworzących baterię do gromadzenia energii elektrycznej zależna jest od ilości energii, jaką chcemy zgromadzić w systemie w czasie dnia słonecznego do wykorzystania w okresie wieczornym i nocnym. Suma napięć akumulatorów w baterii musi wynosić 48V, a więc przy zastosowaniu akumulatorów 12V należy zastosować ich minimum 4 szt. W dotychczas wykonanych instalacjach
stosowano 8 szt akumulatorów żelowych o pojemności 150Ah. Tak zbudowana bateria akumulatorów ma pojemność 300 Ah i umożliwia zgromadzenie w niej 14,4 kwh energii elektrycznej. Do naszego celu najlepiej nadają się akumulatory żelowe specjalnie przeznaczone do instalacji solarnych. Ich żywotność waha się w granicach 10 12 lat. Rozdzielnicę elektryczną elektrowni solarnej należy zbudować z nowoczesnych aparatów elektrycznych przeznaczonych do montażu na szynie 35 mm. Całość powinna zostać zamknięta w odpowiedniej szafce z przezroczystą pokrywą umożliwiającą odczyt wskazań amperomierza oraz liczników energii elektrycznej. Koszty budowy domowej elektrowni solarnej Dzięki zastosowaniu nowoczesnych, technologicznie zaawansowanych urządzeń, budowa domowej elektrowni solarnej nie jest zadaniem skomplikowanym. Jej schemat elektryczny wynikający ze schematu topologicznego (patrz rys. nr 2) jest taki sam dla każdego obiektu. Indywidualnego podejścia wymaga modyfikacja pozalicznikowych obwodów elektrycznych rozdzielnicy obiektu związana z potrzebą wydzielenia odbiorów przeznaczonych do zasilania energią elektryczną ze słońca. Koszty budowy można oszacować na podstawie kosztów dotychczas zrealizowanych inwestycji (zastosowano w nich pola fotowoltaiczne o mocach 1350 1800W). Składały się na nie następujące wydatki w kwotach netto: - wykonanie indywidualnego projektu elektrycznego 800 1.500 zł - zakup urządzeń (moduły PV, inwerter, akumulatory, rozdzielnica) 18.000-25.000 zł - zakup materiałów instalacyjnych (kable, tory kablowe, złączki itp.) < 1.000 zł - robocizna ~ 2.000 zł Łączny koszt budowy największej instalacji nie przekroczył 29.500 zł netto (36.285 zł brutto). Budowa i użytkowanie domowej elektrowni solarnej, poza satysfakcją wynikającą ze świadomości aktywnego uczestniczenia w procesie ochrony środowiska naturalnego oraz przyczynianie się do ograniczenia emisji CO 2 do atmosfery (0,79 1,23 kg CO 2 /kwh), przyniesie niewątpliwe korzyści ekonomiczne wynikające z oszczędności zużywania kosztownej energii elektrycznej z sieci poprzez zastąpienie jej darmową odnawialną energią słoneczną. Andrzej Koniecko Ryszard Dawid