Akumulator do systemu solarnego

W najbliższym czasie zamawiam regulator ładowania więc aby posiadać całość potrzebnych rzeczy do budowy mojego systemu solarnego potrzeba już tylko akumulatora. Dość trudno jest poszukać w internecie informacje na temat jakiej firmy akumulator kupić. Każdy radzi aby kupić inny akumulator więc po takiej lekturze człowiek jest dość skołowany. Dla mnie poza czynnikiem ekonomicznym ważna jest też jakość i trwałość akumulatora. Na rynku są dostępne specjalne akumulatory dla systemów fotowoltaicznych ale są stosunkowo drogie. Po długich poszukiwaniach wytypowałem zwycięzce.

Akumulator 12V 18Ah HAZE bezobsługowy  (HZS12-18)

> bezobsługowy
> gwarancja 1 rok
> gwarantowany czas pracy 5 lat
> zwiększona trwałość i żywotność w cyklach
> w pełni formowane płyty
> elektrolit czysty chemicznie bez konieczności obsługi
> niskie samorozładowanie
> zastosowanie: UPS, centrale telefoniczne i alarmowe, inne systemy zasilania
> praca w dowolnym położeniu
> renomowany producent http://www.hazebattery.com/

Specyfikacja

> napięcie pracy 12V
> pojemność 18Ah
> waga 6,30kg
> wymiary dł. 180mm / szer. 76mm / wys. 167mm   

Oczywiście jest to akumulator żelowy gdyż jest całkowicie bezobsługowy i może pracować w każdej pozycji.

Akumulator posiada pojemność 18 amperogodzin co oznacza, że w określonych warunkach jest w stanie zgromadzić 218 watogodzin energii. Wartość tą otrzymujemy mnożąc napięcie 12v akumulatora przez 18 ah jego pojemności. 218 watogodzin oznacza, że akumulator jest w stanie zasilić odbiornik o mocy jednego wata przez 218 godzin lub odbiornik o większej mocy o odpowiednio mniejszą ilość godzin np: żarówka o mocy 100 wat świeciłaby trochę ponad dwie godziny. W przypadku mojego projektu założenia są takie aby w okresie letnim odbiornik o mocy 7 watów świecił przez 6 godzin na dobę.(42 watogodziny na dobę) Oznacza to, że na pełnym akumulatorze prądu wystarczy na jakieś 30 godzin czyli 5 dni. Moja bateria słoneczna o mocy 20 wat jest w stanie dostarczyć znacznie więcej więc w okresie letnim prądu będzie aż za dużo. Prawdziwym sprawdzianem okaże się natomiast zima. Krótkie dni z dużą ilością chmur i niskie temperatury to dla systemów solarnych złe warunki. Lecz przed nami wiosna i lato a do następnej zimy bardzo daleko. 

Jaki kąt nachylenia baterii słonecznej?

Istotnym elementem wydajności systemu fotowoltaicznego jest odpowiednie dobranie kąta nachylenia panela słonecznego względem słońca. W różnych szerokościach geograficznych kąt ten powinien być odpowiednio dobrany. Wiele osób radzi aby w naszej strefie geograficznej kąt ten wynosił  w lecie 35 stopni a w zimie 60. Zmiana kąta ma na celu ustawienie panela względem słońca tak aby "wyłapał" on tyle promieni słonecznych ile się tylko da. Przeglądając fora internetowe i poradniki odnieść jednak można wrażenie, że ile osób tyle rozwiązań tego zagadnienia. Z mojej analizy przeprowadzonej na stronie (http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps3/pvest.php) wynika jednak, że zastosowanie stałego nachylenia panela względem słońca pod kątem 45 stopni praktycznie wcale nie wpływa na jego wydajność. Odpowiedni kąt może mieć jednak znaczenie w ogromnych elektrowniach słonecznych gdzie rzeczywiście zmiana położenia może przynieść wymierne korzyści ekonomiczne. W przypadku mojego panela 20 wat są one jednak niemierzalne. Dlatego postanowiłem, że panel będzie ustawiony po kątem 45 stopni przez cały rok. Całkowicie innym zagadnieniem jest natomiast kwestia podążania panela za słońcem tzw. solar tracker. Myślę, że wzrost wydajności całego systemu nawet dla tak małej baterii słonecznej byłby na tyle odczuwalny, że można by rozważyć budowę takiego urządzenia. Jedak na obecnym etapie panel będzie ukierunkowany na stałe w kierunku południowym bez zastosowania podążania za słońcem.

Jakie przewody należy zastosować?

Szukając na forach od dłuższego czasu akumulatora żelowego 20 ah zacząłem zastanawiać się jakiego przekroju przewody należy zastosować dla mojej baterii słonecznej. W tym celu napisałem maila do firmy, w której baterię kupiłem. Następnego dnia rano już miałem odpowiedz. Sprawa wygląda tak:

"Pomiędzy panelem a regulatorem do 20 m długości przekrój 2,5 mm2, pomiędzy regulatorem a akumulatorem max. 1,5m 4 mm2" Zarówno długość jak i przekrój przewodów ma olbrzymie znaczenie dla działania całego systemu więc zdobyta wiedza jest dla mnie bezcenna.

Wybór regulatora ładowania

Powoli lecz nieuchronnie zbliża się termin zakupu regulatora ładowania. Przyznaję wybór nie jest łatwy. Na rynku jest wiele rożnych urządzeń, których ceny zaczynają się od około 100 zł. a kończą na kilku tysiącach. Ze względu jednak na potrzeby mojego projektu wybór padł na regulator firmy PHOCOS CX10. Cechą, która zadecydowała o tym wyborze jest fakt, iż owy regulator zbiera dane na temat kondycji systemu fotowoltaicznego, które później można analizować w komputerze. Poniżej trochę danych na temat tego urządzenia.

Regulator ładowania CX10

Regulatory ładowania akumulatorów firmy "Phocos".

Regulatory z serii CX to obecnie najnowocześniejsze i najbardziej zaawansowane solarne regulatory ładowania akumulatorów na świecie w swojej grupie cenowej.

Regulatory serii CX posiadają bardzo zaawansowane funkcje i można je programować za pomocą przycisku lub z komputera przy pomocy opcjonalnego interfejsu.

Funkcja światła nocnego pozwala zastąpić nam załącznik zmierzchowy do oświetlenia ogrodu ale nie tylko!

Włączanie odbiorników nocą jest w pełni programowalne w zależności od zaprogramowanej godziny nocnej, przy zastosowaniu wbudowanego w regulator mikroprocesora.

Opcja zapisywania danych o systemie pozwala na dogłębną analizę pracy układu PV oraz odnalezienia ewentualnych przyczyn jakichkolwiek nieprawidłowości w działaniu słonecznego systemu zasilania.

Zaawansowane funkcje ładowania i zarządzania mocą pozwalają na znaczne wydłużenie życia akumulatora przy bardzo optymalnym wykorzystaniu jego mocy. Posiadają wbudowany system zarządzania mocą, która nie zostałaby inaczej spożytkowana.

Specyfikacja regulatorów:

- przeznaczony do ładowania akumulatorów ołowiowych zwykłych i żelowych,

- programowalna funkcja światła nocnego (z odliczaniem czasu w zależności od pory nocy),

- zapisywanie aktualnych danych o systemie (pamięć do jednego roku działania systemu) oraz wykrywanie nieprawidłowości

- zaawansowane, programowalne trzy poziomowe ładowanie akumulatora z funkcją kompensacji temperaturowej (znacznie dłuższa żywotność akumulatora)

- zaawansowane, programowalne 3 tryby rozładowania akumulatora:

kontrolowany napięciem (LVD),

kontrolowany stanem naładowania (SOC)

adaptacyjny (oparty na logice rozmytej - "fuzzy logic"),

- wbudowane zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją napięcia,

- elektroniczne zabezpieczenia wejść i wyjść regulatora,

- zakres temperatur pracy -20°C - +50°C,

- wyświetlacz LCD pokazujący stan naładowania akumulatora, stan instalacji fotowoltaicznej jak i funkcji wyjścia,

- sygnalizacja akustyczna,

- obudowa IP 20.

Prezentacja projektu

Pod adresem (http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps3/pvest.php) można sprawdzić ile energii może wyprodukować bateria słoneczna dla danej miejscowości. Dla mojej dwudziestowatowej baterii wygląda to tak.

Z wyliczeń wychodzi, że uzyskać można jakieś 20 kwh na rok czyli jak na domowe potrzeby bardzo mało. Wyliczenia zakładają kilka procent strat więc te 20 kwh to czysta energia po odliczeniu strat w akumulatorze i kablach i innych rzeczach.Ale oczywiście w całym moim projekcie nie chodzi o to aby zasilać wyprodukowaną energią sieć domową ale sprawdzić doświadczalnie ile jest prawdy w tych wyliczeniach i powszechnie panującym przekonaniu, że instalacja solarna nigdy się nie zwróci. W tym miejscu mając dane o rocznej produkcji energii

przez mój system wyliczyć można, że bateria słoneczna wyprodukuje energii elektrycznej za jakieś 14 zł rocznie. Koszt uruchomienia instalacji to:

Bateria słoneczna 210 zł

Akumulator żelowy 150 zł

Regulator Ładowania 100 zł

Inne (np:kable) 100 zł

Razem jakieś 560 złotych. Dzieląc 560 zł przez 14 zł wychodzi nam, że inwestycja zwróci się po 40 latach czyli nigdy ponieważ ani bateria słoneczna a tym bardziej akumulator nie mają takiej trwałości. Wydaję się, że ze względu na warunki klimatyczne Polski jedynym sensownym rozwiązaniem jest budowa systemu hybrydowego z baterii słonecznych i elektrowni wiatrowej ale to już zagadnienie na inny projekt.

Bateria słoneczna

Dziś pragnę przedstawić moją baterię słoneczną, która w przyszłości stanie się częścią mojego systemu oświetlenia słonecznego. Poniżej zamieszczam kilka fotografii.

Specyfikacja:

Model: Monokrystaliczny

Waga: 2.5kg

Napięcie jałowe: 21V

Napięcie nominalne: 17V

Moc: 20W

Prąd ładowania: 1.20A

Prąd zwarciowy: 1.24A

Wymiary: 425 x 450 x 23 [mm]

Ponieważ bateria ma moc tylko 20 watów posłuży do zasilania lampek led i małej fontanny ogrodowej. Jeśli chodzi o oświetlenie led to staje się ono bardzo popularne ze względu na bardzo niski pobór prądu. Od dłuższego czasu mam cztery żarówki led o mocy 3,5 watt każda i według mojej opinii z powodzeniem zastępują tradycyjne żarówki halogenowe zużywające 10 razy więcej energii. Inną zaletą ledów jest ich trwałość sięgająca od 50.000 do 100.000 godzin. Jedna żarówka led ma trwałość kilku żarówek halogenowych co sprawia, że sam koszt zakupu leda zwróci się z samej jego trwałości

a nie tylko jego niskiego zapotrzebowana na prąd. Co ciekawe żarówki led wydzielają bardzo mało ciepła i w czasie startu nie potrzebują większej ilości prądu jak to ma miejsce w przypadku halogenów. I jeszcze jedno: Można pstrykać do woli. Włączamy leda i wyłączamy kiedy chcemy nie skracając mu wcale życia. Teraz może trochę o wadach. W obecnej sytuacji opłaca się nimi zastępować tylko żarówki halogenowe i oświetlenie dekoracyjne. Żarówki dookólne z gwintami E14 i E27 dają zbyt mało światła a ich ceny są zbyt wysokie w stosunku do tego co oferują świetlówki kompaktowe. Mały przykład: Dobra żarówka dookóla led 8 watt kosztuje ok 150 zł. i daje światło porównywalne z żarówką 75 wat. Świetlówka kompaktowa kosztuje ok. 12 zł. a przy mocy 12 wat daję tyle samo światła. Poniżej zamieszczam zdjęcia moich żarówek led.

Jak obliczyć potrzebną moc panela słonecznego?

Najpierw należy określić potrzeby:

1. Określamy napięcie pracy odbiornika (np 12 volt).

2. Określamy moc pobieraną przez urządzenie [ilość watów].

3. Określamy czas pracy odbiornika w godzinach na dobę.

Dzienne zapotrzebowanie to ilość energii, którą bateria słoneczna musi wytworzyć w ciągu jednego dnia, tj. średnio 10h w lecie i 4h w zimie.

Przykład

Chcemy zasilać żarówkę LED o mocy 5W , napięcie -12V.

Potrzebne parametry:

* Napięcie pracy 12V,

* moc pobierana: 5W,

* Czas świecenia: 8h/dobę.

Wyliczamy zapotrzebowanie:

Czas pracy odbiornika x pobór mocy = dobowe zapotrzebowanie

8h x 5W = 40 watogodzin na dobę

Wyznaczamy minimalną pojemność akumulatora:

40Wh/12V= 3,3 Ah

Tyle teorii. W praktyce pojemność akumulatora musi być kilka razy większa tak aby mogła zmagazynować energię na kilka pochmurnych dni.

Zakładając, że czas ładowania akumulatora w lecie wynosi około 10h, to potrzebujemy baterię zdolną wytworzyć w ciągu 10h 40Wh.

Zapotrzebowanie dobowe/czas ładowania = moc baterii.

Więc: 40Wh/10h = 4W

Czyli minimalne parametry panela to panel 12V o minimalnej mocy 4W.

Tak jak w przypadku akumulatora tak i bateria słoneczna powinna mieć moc ok 3 razy większą czyli ok 12 wat tak aby w dni pochmurne nigdy nie zabrakło nam prądu.

Taki system musi być wyposażony w regulator ładowania zabezpieczający akumulator m. in. przed przeładowaniem i zbyt głębokim rozładowaniem.

Budowa systemu fotowoltaicznego

Baterie słoneczne - to urządzenia zbudowane z połączonych odpowiednio ogniw fotowoltaicznych które wykorzystują zjawisko fotoelektryczne do produkcji energii elektrycznej. Podstawowym materiałem używanym do produkcji ogniw fotowoltaicznych jest krzem. W laboratoriach uzyskuje się sprawności konwersji promieniowania słonecznego ogniw krzemowych na prąd elektryczny dochodzące 24%. . Średnia żywotność baterii słonecznych zależy od jej typu i wynosi około 25 lat. Po tym czasie wydajność panelu słonecznego spada do około 80% mocy początkowej.

Rodzaje baterii słonecznych

• monokrystaliczny - najwyższa sprawność: 12-16%, szczególnie w słoneczny dzień, najwyższa trwałość, najwyższa cena,

• polikrystaliczny - wysoka sprawność konwersji: 10-14%, w warunkach zachmurzenia może być nawet wyższa od modułów monokrystalicznych, trwałość porównywalna z krzemem monokrystalicznym, cena minimalnie niższa od ogniw z krzemu monokrystalicznego,

• amorficzny - nieco niższa sprawność od paneli monokrystalicznych. Coraz powszechniej stosowane ze względu na niska cenę. Wykorzystywane również w elastycznych panelach słonecznych stosowanych w turystyce.

Regulator ładowania - to urządzenie stosowane między baterią słoneczną a akumulatorem. Regulatory są używane aby utrzymywać akumulator w pełni naładowany i nie dopuszczać do jego przeładowania a także nadmiernego rozładowania przez odbiorniki. Regulatory mogą się różnić napięciem z jakim pracują oraz maksymalnym natężeniem prądu jaki może przez nie płynąć. Typowy regulator pracuje z napięciem 12 lub 24V. Zaawansowane regulatory typu MPPT używają systemu śledzenia punktu maksymalnej mocy uzyskiwanej z panela, który automatycznie pozwala systemowi pracować przy napięciu, które daje maksymalną moc wyjściową.

Rodzaje regulatorów:

• prosty 1-2 stopniowy - pracuje na zasadzie przetłaczania energii do akumulatora. Po osiągnięciu odpowiedniego napięcia, panel zostaje odłączony.

• 3 stopniowy PWM: np. Morningstar

• MPPT (maximum power point tracking) - regulatory śledzące maksymalne napięcie. Ten typ regulatorów również pracuje w trybie PWM. Regulatory typu MPPT pozwalają na dostarczenie 10-30% więcej energii do akumulatora. Zazwyczaj są droższe od standardowych regulatorów PWM.

PWM - regulatory słoneczne PWM używają technologii podobnej do nowoczesnych ładowarek baterii. Gdy napięcie baterii osiąga wyznaczony limit, algorytm PWM powoli redukuje prąd ładowania aby zapobiec przegrzaniu się baterii, w tym samym czasie próbując dostarczyć maksymalną ilość energii do baterii w jak najkrótszym czasie. PWM działa na zasadzie ładowania pulsacyjnego. Zamiast ciągłego dostarczania energii do akumulatora, wysyła on krótkie serie wysokiego napięcia. Regulator sprawdza poziom naładowania baterii i określa jak długa powinna być wysłana seria napięcia. W przypadku naładowanego akumulatora, regulator wysyła krótki sygnał co pare sekund, zaś w przypadku rozładowanej baterii, sygnał jest długi i niemalże ciągły.

Dodatkowo, technologia PWM ma też dodatkowe interesujące zalety. Oto one:

• możliwość przywrócenia początkowej pojemności akumulatora

• zwiększa akceptację prądu przez akumulator

• akumulator można naładować do 90-95% jego pojemności przy 60% dla klasycznych rozwiązań.

• zmniejsza nagrzewanie się baterii

• automatyczne dostosowanie do starzenia się baterii

• regulacja spadków napięcia i efektów temperatury w systemach solarnych

Korzyści, jakie otrzymujemy dzięki temu:

• dłuższa żywotność akumulatora

• mniejszy koszt systemu solarnego

• większa pojemność akumulatora

• zmniejszenie częstotliwości odłączania się urządzeń

• możliwość zastosowania mniejszej baterii w celu zmniejszenia kosztów

• 20%-30% więcej energii z paneli słonecznych

• możliwość zmniejszenia rozmiaru systemu słonecznego

Przetwornica (inverter) - urządzenie stosowane w systemach off grid które przetwarza prąd stały 12V na prąd zmienny 230V. Dzięki temu do sysytemu możemy podłączyć urządzenia codziennego użytku jak chociażby telewizor. Przetwornice podłącza się bezpośrednio do akumulatora. Zazwyczaj posiadają one funkcje ochrony akumulatora przed n admiernym rozładowaniem

Falownik - urządzenia stosowane w systemach dołączanych do sieci. Głównymi funkcjami falownika są: zamiana napięcia stałego na zmienne, nadanie kształtu wyjściowej fali zmieno napięciowej i tym samym dostosowanie sygnału napięciowego do akceptowanego przez zakład energetyczny. Najważniejszymi cechami falownika w zastosowaniach fotowoltaicznych są jego niezawodność i charakterystyki sprawnościowe. Zaprojektowane są one do ciągłej pracy w pobliżu punktu maksymalnej mocy. Sprawność falownika jest zazwyczaj podawana dla jego zaprojektowanej mocy pracy, ale zwykle, przez większość czasu, falowniki w systemach fotowoltaicznych pracują przy niepełnym obciążeniu. Duże sprawności przy niepełnym obciążeniu są szczególnie ważne w podłączonych do sieci falownikach pracujących w klimacie środkowoeuropejskim, gdzie roczna średnia moc wyjściowa panelu fotowoltaicznego może być tak mała jak 10 % mocy szczytowej. Falowniki mają w ogólności sprawności przy pełnym obciążeniu od 90% do 96%, a dla 10% obciążenia - od 85% do 95%. Ponieważ straty na dopasowanie są tutaj zazwyczaj większe niż straty pozainstancyjne, falowniki wykazują ciągły spadek sprawności wraz ze zmniejszaniem mocy wyjściowej i wejściowej.

Wprowadzenie

Ogniwo słoneczne

Ogniwo słoneczne, ogniwo fotowoltaiczne, ogniwo fotoelektryczne, fotoogniwo to element półprzewodnikowy, w którym następuje przemiana (konwersja) energii promieniowania słonecznego (światła) w energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego czyli poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (zob. nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował A.C. Becquerel w 1839 r. w obwodzie oświetlonych elektrod umieszczonych w elektrolicie, a obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali tego 37 lat później W. Adams i R. Day.

Fotoogniwa słoneczne są produkowane z materiałów półprzewodnikowych, najczęściej z krzemu (Si), germanu (Ge), selenu (Se). Zwykłe ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu ma nominalne napięcie ok. 0,5 wolta. Poprzez połączenie szeregowe ogniw słonecznych można otrzymać baterie słoneczne. Istnieją baterie z różną liczbą ogniw, w zależności od zastosowania, jak i od jakości ogniw.

Zasada działania

Fotoogniwo jest zbudowane z półprzewodnika i tworzy złącze p-n, na które pada światło. Padające na złącze fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika powodują powstanie par elektron-dziura. Pole elektryczne wewnątrz półprzewodnika związane z obecnością złącza p-n, przesuwa nośniki różnych rodzajów w różne strony. Elektrony trafiają do obszaru n, dziury do obszaru p. Rozdzielenie nośników ładunku w złączu powoduje powstanie na nim zewnętrznego napięcia elektrycznego. Ponieważ rozdzielone nośniki są nośnikami nadmiarowymi (mają nieskończony czas życia), a napięcie na złączu p-n jest stałe, oświetlone złącze działa jako ogniwo elektryczne.

Zastosowania

Fotoogniwa są stosowane przede wszystkim jako trwałe, o dużej niezawodności źródła energii elektrycznej w elektrowniach słonecznych, kalkulatorach, zegarkach, sztucznych satelitach, samochodach z napędem hybrydowym, a także w automatyce jako czujniki fotoelektryczne i fotodetektory w fotometrii.

* Baterii słonecznych używa się także w małych kalkulatorach i zegarkach.

* Przydatne jest zastosowanie ich w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze.

* W 1981 r. Słoneczny samolot Solar Challenger przeleciał nad kanałem La Manche wykorzystując jako źródło zasilania tylko energię słoneczną. Skrzydła tego samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które zasilały silnik elektryczny.

* Na Florydzie, w Stanach Zjednoczonych publiczne automaty telefoniczne są zasilane przez baterie słoneczne montowane na chroniącym je dachu.

źródło: Wikipedia