Baterie słoneczne offgrid

Systemy offgrid - czyli po polsku wyspowe - to układy niedostarczające energii do powszechnej sieci energetycznej. Poniżej przedstawiamy różne przykłady systemów wyspowych.

System DC

Systemy solarne DC (prądu stałego) to najprostsze konstrukcje wykorzystujące energię słoneczną. W ich skład wchodzą baterie słoneczne, regulator ładowania i akumulatory. Sercem systemu jest regulator ładowania, który zarządza procesem ładowania akumulatorów. Podstawową funkcją solarnych kontrolerów ładowania jest zarządzanie ładowaniem akumulatorów, zapewniając maksymalną wydajność tego procesu. Dodatkową istotną funkcją regulatorów solarnych jest wydłużenie żywotności akumulatorów poprzez ich ochronę przez zbyt dużym prądem ładowania, przeładowaniem lub zbyt mocnym rozładowaniem - tzw. głębokim rozładowaniem (wynika to z faktu, że głębokie rozładowania akumulatorów czyli do ich minimalnej pojemności skracają gwałtownie ich żywotność). W tym celu regulatory odcinają odbiorniki, kiedy w akumulatorach pozostaje około 30% energii (wykorzystują do tego zjawisko obniżania się napięcia akumulatora wraz ze spadkiem jego naładowania - a w bardziej zaawansowanych regulatorach odcięcie następuje po przekroczenie odpowiedniego poziomu SOC), a niektóre z nich pozwalają użytkownikowi na zmianę tego progu poprzez zmianę tzw. napięcia dolnego odcięcia.

Rysunek 1. Schemat prostego systemu fotowoltaicznego napięcia stałego

Schemat najprostszego wyspowego systemu fotowoltaicznego napięcia stałego

Działanie tych systemów jest bardzo proste. Baterie słoneczne absorbują promieniowanie świetlne i w procesie fotowoltaicznym zamieniają je na energię elektryczną. Prąd z baterii dociera do regulatora ładowania. Ten, w zależności od stanu akumulatora, przekazuje ściśle określoną wartość prądu do ładowania akumulatorów. W drugim obiegu, odbiorniki podłączone do regulatora korzystają ze zgromadzonej w akumulatorze energii. Ważnym jest by pobierając energię z akumulatorów nie przekraczać maksymalnego dopuszczalnego przez regulator prądu rozładowania akumulatorów.

System DC + włącznik zmierzchowy

Zastosowanie regulatorów ładowania w systemie solarnym daje możliwość wykorzystania dodatkowych funkcji (im bardziej zaawansowany regulator tym więcej i lepiej dopracowanych funkcji). Tak więc na przykład regulatory solarne mają możliwość programowania różnych trybów pracy w tym np. trybu pracy nocnej. Niektóre z nich programowane są przez wyspecjalizowane serwisy specjalnym modułem do programowania, inne mogą być programowane samodzielnie przez użytkownika.

Rysunek 2. Schemat prostego systemu fotowoltaicznego napięcia stałego z funkcją pracy nocnej

Schemat prostego systemu fotowoltaicznego prądu stałego z wbudowaną funkcją pracy nocnej

System solarny wyposażony w kontroler ładowania z funkcją nocną staje się autonomicznym fotowoltaicznym systemem oświetleniowym. W praktyce oznacza to, że regulator samodzielnie załącza oświetlenie (lub inne odbiorniki) o określonym czasie wspierając się np. wg sygnałem z czujnika zmierzchowego (którym tak naprawdę jest podłączona do regulatora ładowania bateria słoneczna) - wyłącznie w czasie nocy włącza i podtrzymuje zasilanie oświetlenia przez określony czas (1-8 godzin ustawiane przez użytkownika) lub też przez całą noc do świtu.

W szczególnych przypadkach, w celu oszczędzania energii, możliwe jest zastosowanie czujnika ruchu – wtedy oświetlenie załączy się po wykryciu ruchu w obserwowanej strefie. Zaletą stosowania czujnika ruchu, poza wysoką energooszczędnością (w czasie oczekiwania pobiera znikomy prąd - np. czujniki Steca to 3mA,) jest możliwość bezpośredniego włączenia przez czujnik do 60W oświetlenia. Zważywszy na fakt, że LEDowy ekwiwalent świetlny 30 watowego halogenu, zużywa zaledwie 3W, to możemy podłączyć do 20 żarówek LED o mocy świetlnej 600 watowej lampy halogenowej.

System DC z inwerterem

Systemy stałoprądowe z inwerterem to najprostsze systemy solarne, które można wykorzystać w budynkach mieszkalnych. W tym systemie:

  • baterie słoneczne ładują akumulatory przez regulator solarny, który zabezpiecza akumulatory przed nadmiernym naładowaniem, a ponadto dba o prawidłowe naładowanie akumulatorów
  • przetwornica prądu stałego na zmienne (w Polsce o napięciu 230V) jest podłączona bezpośrednio do zestawu akumulatorów.

Systemy takie umożliwiają wykorzystywanie typowych odbiorników zasilanych napięciem sieciowym 230V jednak bez konieczności podłączania budynku do sieci energetycznej.

Rysunek 3. Schemat prostego autonomicznego systemu fotowoltaicznego napięcia stałego i zmiennego

Schemat autonomicznego systemu fotowoltaicznego prądu stałego i zmiennego

Stałonapięciowa strona systemu (baterie, regulator ładowania) może pracować przy 12, 24 lub 48V (woltach). Należy pamiętać, że wraz ze wzrostem mocy systemu warto stosować wyższe napięcia systemowe - układy o wyższych napięciach cechują się mniejszymi stratami na przesyle energii po stronie niskonapięciowej. Dodatkowo przetwornice, które są zasilane wyższym napięciem, mają większe sprawności niż te zasilane napięciem 12V. Przy rozbudowanych systemach dużej mocy o napięciu np. 12V,  konieczne byłoby stosowanie grubych i dużo droższych przewodów co podnosiło by koszty inwestycji. Jest to uwarunkowane zjawiskiem dopuszczalnej gęstości prądu (a nie napięcia - zwiększenie napięcia wymaga tylko zwiększenia grubości i trwałości izolacji przewodu ale w zakresie 12-48V to i tak nie ma znaczenia) - otóż przez przewód o określonym przekroju możemy przesłać maksymalny prąd określony materiałem z którego wykonano ten przewód - zwiększenie prądu ponad tą granicę spowoduje jego przegrzewanie, a w dalszym kroku jego przepalenie. Ponieważ moc w przypadku prądu stałego to iloczyn prądu i napięcia więc przy stałej mocy odbiornika 4-krotne zwiększenie jego nominalnego napięcia zmniejsza nominalny prąd także 4-krotnie.

Ogromną zaletą systemów prądu stałego z inwerterami jest ich prostota. Brak skomplikowanych ustawień umożliwia wykonanie instalacji i uruchomienia przez osoby niebędące specjalistami w dziedzinie energii odnawialnej. W przypadku jakichkolwiek wątpliwości warto skonsultować się z osobą posiadającą odpowiednie wiedzę, doświadczenie i uprawnienia.

W razie Państwa pytań wątpliwości służymy naszą pomocą i doświadczeniem w tego typu instalacjach.

System DC z inwerterem i ładowarką

Stałoprądowe systemy solarne z przetwornicą i zintegrowaną ładowarką to jedne z najbardziej wygodnych rozwiązań z punktu widzenia odbiorcy. Szeroki zakres możliwych funkcji programowania umożliwia dostosowanie pracy takiego systemu do większości warunków. Dzięki temu rozwiązaniu baterie słoneczne umożliwiają stopniowe uniezależnianie obiektów od sieci energetycznej.

Wbudowana ładowarka podłączona do sieci energetycznej może doładowywać akumulatory w sytuacji niedostatecznego nasłonecznienia lub poprostu przełączać się całkowicie na zasilanie sieciowe w chwili gdy akumulatory będą rozładowane. Zachowania ładowarki Multiplus Victronenergy można tak zaprogramować, aby zapewniły osiągnięcie maksymalnej żywotności akumulatorów, pozwalając jednocześnie oszczędzać energię poprzez wykorzystanie prądu uzyskanego w bateriach słonecznych.

Rysunek 4. Schemat systemu fotowoltaicznego napięcia stałego i zmiennego z inwerterem/ładowarką AC

Schematu systemu fotowoltaicznego prądu stałego i przemiennego z inwerterem z funkcją ładowarki sieciowej

Jednym z ciekawszych zastosowań tego typu urządzeń są kampery i łodzie - inwerter z ładowarką wykorzystuje się w takich sytuacjach w sposób podobny do UPS: kiedy nie ma zasilania sieciowego (np. kamper jest wykorzystywany w miejscu gdzie nie ma podpięcia do sieci, lub łódź wypływa z portu) energia do zasilania jest pobierana z akumulatorów, jednak gdy tylko układ zostanie ponownie podłączony do zasilania (np. na polu namiotowym lub w porcie) inwerter automatycznie przełączy się na sieć zewnętrzną i jednocześnie zadba o prawidłowe doładowanie akumulatorów.

System fotowoltaiczny hybrydowy AC

Jak sama nazwa sugeruje, układy tego rodzaju wykorzystują różne źródła energii. Ogromną zaletą tych systemów jest możliwość dołączenia do systemu generatora diesla, turbin wiatrowych lub po prostu powszechnej sieci energetycznej (230VAC lub trójfazowej 400V).

W tych systemach, energia wyprodukowana przez baterie słoneczne jest konwertowana w pierwszej kolejności na napięcie przemienne 230V, a następnie - w zależności od zapotrzebowania - jest konsumowana przez odbiorniki lub trafia do inwertera/ładowarki, który przekazuje ją w odpowiedniej formie do akumulatorów. Inwerter/ładowarka może też doładowywać akumulatory z "niesłonecznego" źródła zasilania (turbiny wiatrowe, lokalny generator diesla, zewnętrzna sieć energetyczna) lub też przełączyć cały system na zasilanie z sieci zewnętrznej na czas gdy ilość słońca/wiatru/paliwa jest niewystarczająca do naładowania akumulatorów.

W związku z tą funkcjonalnością przy projektowaniu tego typu systemów nie ma potrzeby przewymiarowania układu na okresy o niewystarczającej mocy słońca czy wiatru. Pozwala to na ograniczenie kosztów instalacji przy jednoczesnym zachowaniu ciągłości zasilania.

Rysunek 5. Schemat hybrydowego systemu fotowoltaicznego napięcia stałego i zmiennego z inwerterem/ładowarką AC

fotowoltaiczny-system-hybrydowy-dc-ac-z-ladowarka

Systemy hybrydowe działają wg następującego sposobu. Baterie słoneczne generują energię elektryczną, która od razu jest zamieniana na napięcie sieciowe (przemienne 230V) i wpuszczana do tzw. szyny AC. Napięcie sieciowe może zostać od razu wykorzystane przez odbiorniki - w przypadku tej "bezpośredniej konsumpcji" straty sytemu są najmniejsze. Jeśli energia z szyny AC nie zostanie w całości zużyta przez odbiorniki - inwerter/ładowarka nadmiar energii skieruje do akumulatorów. W sytuacji odwrotnej jeśli ilość energii wyprodukowana przez baterie słoneczne nie będzie wystarczająca - inwerter ładowarka uzupełni braki w szynie AC tak aby zachować ciągłość pracy urządzeń. W chwili kiedy sieć elektryczną zastąpimy generatorem diesla - inwerter ładowarka uzupełni braki energii w szynie AC z akumulatorów, a w sytuacji gdy ilość energii w akumulatorach będzie niska zostanie uruchomiony generator. W sytuacji gdy akumulatory są naładowane, a ilość energii produkowanej przez baterie słoneczne jest wysoka i energia nie jest odbierana przez odbiorniki, hybrydowy system AC wyłączy inwertery zasilające szynę AC z baterii słonecznych.

Przedstawione rozwiązanie umożliwia szeroką rozbudowę poprzez dołożenie kolejnych inwerterów i baterii słonecznych. Systemy hybrydowe AC mogą być zestawiane jako zestawy trójfazowe umożliwiające podłączanie odbiorników wymagających zasilania 3×400V. Stosowanie systemów hybrydowych AC jest najkorzystniejsze gdy większość podłączonych do niego odbiorników pracuje w dzień - w czasie kiedy baterie słoneczne generują energię elektryczną.