Parametry baterii słonecznych

Do napisania tego artykułu zainspirowała mnie rozmowa z klientem, którą przeprowadziłem w ostatnim czasie. Będzie trochę i o faktach i o mitach.

Bardzo często zdarza się, że klienci kupują baterię słoneczną o „klasycznej” mocy 250W do ładowania akumulatora 12V. Pozornie nie ma w tym nic dziwnego, że wybór wielu osób pada na tą właśnie baterię – wszak charakteryzuje się ona najlepszą ceną w stosunku do uzyskiwanej mocy. Jednak wybór ten nie jest prawidłowy, co wynika z faktu, że tej wielkości panele słoneczne są przeznaczone (i zaprojektowane!) do budowy dużych układów fotowoltaicznych – systemów sieciowych – i parametry takich ogniw nie są dostosowane do ładowania akumulatorów.

Zdarza się dość często, że klienci którzy nabyli „okazyjnie” takie baterie słoneczne, trafiają później do mnie z pytaniem jaki regulator ładowania powinni kupić do ładowania 12-to woltowych akumulatorów. I tu spotyka ich rozczarowanie i czar oszczędności pryska, ponieważ aby wydajnie i poprawnie ładować akumulator z takiej baterii słonecznej trzeba zastosować znacznie droższy regulator ładowania, który potrafi konwertować energię – regulator typu MPPT.

Regulatory typu MPPT tak dobierają parametry obciążenia pracy baterii słonecznych by utrzymać na nich napięcie, przy którym dany model uzyskuje moc maksymalną.

Zastosowanie w przytoczonym przypadku prostszego i tańszego regulatora PWM o napięciu nominalnym 12V może spowodować jego uszkodzenie, a nawet jeżeli to nie nastąpi to straty energii w tym układzie sięgną około 60% mocy wyprodukowanej przez panel. Inaczej mówiąc, ten sam efekt osiągniemy stosując typową baterię słoneczną 140W z regulatorem PWM o prądzie 10A, co przy zakupie „topowej” baterii słonecznej 250W z regulatorem PWM – wielkość prądu ładowania będzie bardzo zbliżona, ale koszty zakupu baterii słonecznej 250W zdecydowanie większe.

Jak napisałem wcześniej, można stosować baterie słoneczne 250W do ładowania akumulatorów 12V, jednak pod warunkiem zastosowania regulatorów MPPT.

Stosowanie dużych paneli fotowoltaicznych i regulatorów MPPT staje się tańsze w momencie gdy zaczynamy budować instalacje o większej mocy, co jest związane z wyraźnie większą sprawnością regulatorów typu MPPT – o tym jednak napiszę innym razem.

Moc baterii słonecznych.

Na początek zagłębiania się w parametry podawane przez producentów, zwracam uwagę na ważny aspekt: wszystkie parametry podawane na tabliczce znamionowej odpowiadają pomiarom wykonywanym w laboratoriach w ustalonych modelowych warunkach i niezwykle rzadko bateria słoneczna osiąga je w trakcie pracy w naszych instalacjach. Można by więc w ogóle podważać celowość ich podawania, jednak zapewniam, że nie jest to bezsensowne. Dlaczego?

Podawane na tabliczce znamionowej parametry służą porównaniu różnych modeli paneli słonecznych: pozwalają na ocenę i porównanie podstawowych współczynników jakościowych i są później wykorzystywane przy projektowaniu i doborze dużych instalacji sieciowych po uwzględnieniu empirycznie i statystycznie wyznaczonych współczynników.

Wszystkie pomiary baterii słonecznych wykonywane są w odpowiednio wyposażonych laboratoriach i na każdej tabliczce znamionowej jest napisane w jakich warunkach wykonano próby z określeniem tzw. standardowych warunków testu (STC – standard test condition).

Typowe pomiary wykonuje się przy mocy promieniowania 1000 watów na m2 powierzchni panelu (W/m2), przy temperaturze ogniw 25^oC i wartości nasłonecznienia „AM” (z ang. Air Mass) równym 1,5.

AM jest to wartość promieniowania padającego przy szerokości geograficznej około 48^o. Dla podzwrotnikowych szerokości geograficznych AM wynosi około 1, a dla miejscowości powyżej 60^o stopnia szerokości geograficznej AM przekracza 2, wartość AM 0 jest osiągana ponad atmosferą – jest to czysta moc promieniowania docierającego ze słońca.

Moc baterii słonecznej – to parametr osiągany w warunkach laboratoryjnych – otrzymuje się ją dopasowując obciążenie tak, aby iloczyn osiągniętego prądu i napięcia dał wartość maksymalną. Inaczej mówiąc, moc baterii słonecznej to iloczyn prądu i napięcia w punkcie mocy maksymalnej (mpp – maximal power point). Wszystkie trzy parametry (moc oraz prąd i napięcie w punkcie mocy maksymalnej) znajdują się na tabliczkach znamionowych baterii słonecznych.

Trzeba pamiętać, że w trakcie pracy w rzeczywistym środowisku, parametry te ulegają ciągłym zmianom wynikającym z intensywności promieniowania (zachmurzenie, pora dnia, pora roku), zmian temperatury, zabrudzeniu powierzchni baterii słonecznych, ale też ich czasowej degradacji.

Dodatkowo – poza powyższymi parametrami – można znaleźć dwa inne ciekawe parametry: prąd zwarcia i napięcie rozwarcia. Są to najłatwiej mierzalne parametry. Mając miernik elektryczny, ustawiawszy baterię słoneczną w słońcu przykładamy do jej zacisków elektrycznych miernik ustawiony w tryb pomiaru napięcia lub zwykły woltomierz i odczytujemy parametr zwany napięciem rozwarcia. Na wartość napięcia zwarcia ma wpływ temperatura i grubość atmosfery, przez którą musi się przebić słońce (pora dnia, pora roku) – niemniej napięcie zmienia się dość powoli ze spadkiem mocy co pozwala dość łatwo oszacować czy ogniwo nie jest uszkodzone.

Aby odczytać drugi z parametrów – prąd zwarcia – ustawiamy miernik uniwersalny na pomiar prądu i ponownie przykładamy końcówki pomiarowe do zacisków elektrycznych panelu słonecznego. Musimy jednak uważać na dwie rzeczy związane z faktem, że prąd zwarcia może być duży: możne pojawić się łuk elektryczny oraz musimy upewnić się, że nasz miernik nie zostanie zniszczony zbyt wysokim prądem. Zanim więc dokonamy tego pomiaru porównajmy zakres pomiarowy miernika i jego prąd maksymalny z wartością prądu zwarcia podanego na tabliczce znamionowej panelu słonecznego. Pamiętajmy, że prąd zwarcia panelu musi mieścić się w zakresie pomiarowym miernika.

Ten z kolei parametr, bardzo mocno zależy od mocy promieniowania i w niekorzystnych warunkach, np. zimą (gruba wartość atmosfery – współczynnik AM ponad 2 plus dodatkowe ograniczenie mocy promieniowania przez zadymienie atmosfery), zmierzony prąd zwarcia może wynieść połowę mocy podanej na tabliczce znamionowej!!!

Jednak mierząc prąd zwarcia w optymalnych warunkach, np. wiosną (najlepiej w maju) przy bezchmurnym niebie i przy zimnym panelu – ten parametr nie powinien odbiegać więcej niż 15% od parametrów podanych na tabliczce znamionowej.

Zestaw fotowoltaiczny – jak dobrać parametry

Z punktu widzenia budowy systemu fotowoltaicznego trzeba brać pod uwagę wszystkie powyższe parametry. Budując mały zestaw fotowoltaiczny wyspowy (off grid) służący do ładowania akumulatorów 12V należy tak dobrać parametry baterii słonecznej, aby napięcie w punkcie mocy maksymalnej wynosiło około 17V, a napięcie rozwarcia 21V, a dla systemu 24-woltowego napięcie mocy maksymalnej powinno wynosić 37V a napięcie rozwarcia 45V. Daje nam to pewność, że w letnie dni, kiedy bateria słoneczna się rozgrzeje, wciąż będzie ona miała wystarczającą moc do ładowania akumulatorów. Jeśli zastosujemy w tym wypadku baterię o mocy maksymalnej uzyskiwanej przy napięciu 24V lub większym, to będziemy musieli pogodzić się z dużymi stratami energii.

W tym miejscu warto podać klasyczny przykład występujący na portalach aukcyjnych. Otóż łatwo można znaleźć w bardzo okazyjnej cenie panel słoneczny 130W. Kiedy jednak zaczniemy czytać jej parametry okaże się, że moc maksymalna osiągana jest przy napięciu 25 V. Używając jej do ładowania akumulatora 12V albo musimy zastosować trzy razy droższy regulator MPPT, albo musimy się pogodzić z tym, że uzyskamy prąd ładowania na poziomie 5,2A – czyli mniejszy niż w przypadku baterii słonecznej 95W – która w regularnej sprzedaży w naszym sklepie jest tańsza od „promocyjnej” ceny baterii słonecznej 130W z portalu aukcyjnego.

Łatwo też się natknąć na baterie słoneczne 250W z przeznaczeniem do ładowania akumulatorów 24V. W końcu napięcie mocy maksymalnej baterii słonecznej 250W wynosi 30V. Pamiętajmy jednak, że parametry te są uzyskiwane w laboratoriach, w ściśle określonych i optymalnych jednak warunkach. Latem kiedy panel słoneczny się nagrzeje, napięcie w punkcie mocy maksymalnej może spaść nawet o 15%, co oznacza napięcie w punkcie mocy maksymalnej na poziomie 25,5V – a to z kolei oznacza, że będziemy mieli znaczne straty i przy dużym obciążeniu latem nie doładujemy pełnym prądem akumulatorów w systemie 24V (dla pełnego cyklu ładowania akumulatory te potrzebują napięcia 28,8V).

Innym ciekawym przykładem są cienkowarstwowe baterie słoneczne. Ich ceny są naprawdę bardzo atrakcyjne (z wielu względów nie stosuje się ich jednak do budowy farm słonecznych), a niektóre modele osiągają napięcie rozwarcia nawet na poziomie 90V. Trzeba w tym wypadku pamiętać, że i takim wypadku jeśli chcemy ładować akumulatory (12V lub 24V) nie ma innej możliwości jak stosowanie regulatorów MPPT.

W przypadku budowy systemów sieciowych (do sprzedaży energii elektrycznej) należy precyzyjnie dobrać napięcie i prąd do parametrów inwertera, który będzie obsługiwał farmę baterii. To w jaki sposób dobierać te parametry, można się np. dowiedzieć na szkoleniach producenckich – i jest to dobry temat na wpis na naszym blogu.

Panele słoneczne są reprezentowane także przez inne parametry – nie mniej ciekawe, a chyba najciekawszymi z nich są współczynniki temperaturowe – są one jednak bardzo rzadko podawane na tabliczkach znamionowych i by dotrzeć do nich trzeba by dotrzeć do materiałów technicznych producentów (co nie zawsze jest trudne – część producentów paneli słonecznych podaje parametry temperaturowe w kartach technicznych oferowanych baterii słonecznych). By nie zaciemniać obrazu artykułu o podstawowych parametrach to opowiemy sobie o nich innym razem.

Zapraszam do wyrażania opinii i zadawania pytań.