Από τον Μιχαήλ Ν. Πέτσιο, Διδάκτωρ ΕΜΠ, Διπλ. Ηλεκτρολόγο Μηχανικό ΕΜΠ, Γενικό Δ/ντή και Ιδιοκτήτη της MP-Energy

Τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά είναι συστήματα φωτοβολταικών μη διασυνδεδεμένα με το Δημόσιο Δίκτυο (ΔΕΗ). Τα αυτόνομα συστήματα λαμβάνουν την ηλιακή ενέργεια (ή/και την αιολική), την αποθηκεύουν σε συσσωρευτές (μπαταρίες) και παρέχουν στον χρήστη ηλεκτρικό ρεύμα όποτε αυτό απαιτηθεί. Τα αυτόνομα φωτοβολταικά την τελευταία περίοδο αποτελούν αξιόπιστη και οικονομική λύση ρευματοδότησης χωρίς διασύνδεση με το δίκτυο.

Εισαγωγή

Ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα ηλεκτροδότησης αποτελείται κυρίως από:

• Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια-συλλέκτες (photovoltaic panels), τα οποία συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια και την μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια.
• Την ανεμογεννήτρια, η οποία μετατρέπει την αιολική ενέργεια σε ηλεκτρική (προαιρετικά).
• Τον ρυθμιστή (ή ελεγκτή) φόρτισης (solar charge controller), ο οποίος ελέγχει τη διαδικασία φόρτισης των μπαταριών.
• Τη συστοιχία συσσωρευτών (μπαταρίες), η οποία αποθηκεύει την ηλεκτρική ενέργεια.
• Τον αντιστροφέα (inverter), ο οποίος μετατρέπει την συνεχή τάση των συσσωρευτών σε εναλλασσόμενη τάση.
• Την γεννήτρια υγρών καυσίμων, η οποία συνήθως χρησιμοποιείται ως εναλλακτική λύση (back-up) για περιόδους που δεν επαρκεί η ενέργεια από τον ήλιο ή τον άνεμο (προαιρετικά).

Υπολογισμός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος

Για την αποτελεσματική και αξιόπιστη λειτουργία ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος απαιτείται η εκπόνηση μίας αναλυτικής μελέτης από εξειδικευμένο ηλεκτρολόγο μηχανικό έμπειρο σε αυτόνομα φωτοβολταϊκά.

Συνοπτικά τα στάδια υπολογισμών ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού είναι: 1) καταγραφή ηλεκτρικών καταναλώσεων, 2) υπολογισμός επιμέρους μεγεθών (φωτοβολταϊκά, αντιστροφέας, μπαταρία κλπ.), 3) επιλογή υλικών.

Το πρώτο και ίσως το κρισιμότερο τμήμα μίας μελέτης για αυτόνομα φωτοβολταϊκά συείναι η καταγραφή των αναγκών του χρήστη. Πέρα από την κατάρτιση ενός πίνακα όπου θα φαίνονται τα ηλεκτρικά φορτία, η ισχύς τους (W) αλλά και οι ώρες (h) λειτουργίας τους ημερησίως, θα πρέπει ο μελετητής-μηχανικός να κατανοήσει την ακριβή χρήση του κτιρίου όπως αυτή κατανέμεται στις ώρες της ημέρας αλλά και στις εποχές του χρόνου.

Αφού συμπληρωθεί ο πίνακας φορτίων ο μελετητής μπορεί να εξάγει την απαιτούμενη ημερήσια ενέργεια σε kWh (Ek). Συνήθως η μελέτη εκπονείται για τις χειρότερες μέρες ενεργειακά του χρόνου (πχ 21 Δεκέμβρη αν χρησιμοποιείται εκείνη την περίοδο το κτίριο). Στη συνέχεια ανάλογα με το μέγεθος του συστήματος που απαιτείται, επιλέγεται η τάση της μπαταρίας (για πολύ μικρά συστήματα με 1-2 πάνελ επιλέγονται τα 12V, για συστήματα 2-12 πάνελ επιλέγονται τα 24V και για συστήματα μεγαλύτερα τα 48V – Πίνακας 1).

Εν συνεχεία ο μηχανικός με τη βοήθεια του χρήστη θα επιλέξουν τις ημέρες αυτονομίας που θα επιλεγούν και από εκεί θα εξαχθεί το επιτρεπόμενο βάθος εκφόρτισης της συστοιχίας συσσωρευτών (Πίνακας 2).

Το επόμενο βήμα είναι ο υπολογισμός της χωρητικότητας των συσσωρευτών με τη βοήθεια της μαθηματικής σχέσης που ακολουθεί:

όπου,

N : Αριθμός ημερών αυτονομίας (συνήθως 2-4)
p : Ποσοστό φορτίων που τροφοδοτούνται από το συσσωρευτή (0-1, συνήθως 0.6)
m : Περιθώριο (συνήθως 1.2-1.4)
Εκ : Ημερήσια Ενέργεια σε kWh (από πίνακα φορτίων)
σγ : Συντελεστής απωλειών γήρανσης (συνήθως 0.8)
σμ : Συντελεστής απωλειών μεταφοράς (συνήθως 0,9)
βεκ : Βάθος εκφόρτισης (από πινακάκι αυτονομίας)
V : Τάση (από πινακάκι ισχύος-τάσης)

Τέλος, υπολογίζεται η ισχύς του φωτοβολταϊκού συστήματος που απαιτείται από τον τύπο:

όπου,

Εκ : Ημερήσια Ενέργεια σε kWh/day (από πίνακα φορτίων)
Pstc : Ισχύς προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σε πρότυπες συνθήκες (1 kW/m2)
m : Περιθώριο (συνήθως 1.2)
Επ : Ημερήσια ενέργεια προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας (Για την Ελλάδα μέσες τιμές είναι περίπου 3 kWh/m2.day για χειμώνα , 7 kWh/m2.day για καλοκαίρι)
σφβ : Συντελεστής απωλειών φωτοβολταϊκού (συνήθως 0.77*σθ – συντελεστής θερμοκρασίας σθ=1-[(θa+30)-25]*0,004 με θa μέση μηνιαία
θερμοκρασία αέρα / συνήθως σθ=0,9)
σμ : Συντελεστής απωλειών μεταφοράς (συνήθως 0,9)
N : Αριθμός ημερών αυτονομίας (days) (συνήθως 2-4)

Σε αυτό το σημείο έχουμε καταλήξει στην τάση του συστήματος των μπαταριών (V), γνωρίζουμε την απαιτούμενη χωρητικότητα (C) αλλά και την ισχύ των φωτοβολταϊκών (P).

Ανάλογα με την εφαρμογή, επιλέγουμε τον τύπο των μπαταριών που θα χρησιμοποιήσουμε. Συνοπτικά αναφέρουμε ότι σε εφαρμογές με μικρές απαιτήσεις (εξοχικές κατοικίες) μπορούμε να επιλέξουμε 12βολτες μπαταρίες AGM VRLA ή GEL (με 600-1000 κύκλους φορτίσεων-εκφορτίσεων για 50% βάθος εκφόρτισης), ενώ σε πιο απαιτητικές εφαρμογές (μόνιμες κατοικίες- επιχειρήσεις) επιλέγονται συνήθως 2βολτα στοιχεία Opzs-Opzv (με πάνω από 2500 κύκλους φορτίσεων-εκφορτίσεων για 50% βάθος εκφόρτισης).

Από τον τύπο των μπαταριών, την τάση της συστοιχίας και την χωρητικότητα, επιλέγουμε το πλήθος και την χωρητικότητα κάθε μπαταρίας που θα χρησιμοποιηθεί. Υπενθυμίζουμε ότι όταν θέτουμε μπαταρίες εν σειρά αθροίζεται η τάση τους και η χωρητικότητα παραμένει η κοινή τους χωρητικότητα, ενώ όταν τις συνδέουμε εν παραλλήλω η τάση παραμένει κοινή και αθροίζονται οι χωρητικότητες.

Από την ισχύ των πλαισίων και τα διαθέσιμα φωτοβολταϊκά πάνελ καταλήγουμε στο πλήθος των φωτοβολταϊκών που θα χρησιμοποιηθούν. Η ισχύς των φωτοβολταϊκών και η τάση της μπαταρίας θα καθορίσουν στη συνέχεια και τον ρυθμιστή φόρτισης που θα επιλεγεί. Προσοχή θέλει η συνδεσμολογία των πλαισίων ώστε να μην ξεπεραστεί το όριο τάσεως και ρεύματος στην είσοδο του ρυθμιστή υπό οποιεσδήποτε συνθήκες.

Τέλος, η ισχύς των ηλεκτρικών φορτίων που θα πρέπει να λειτουργούν ταυτόχρονα και οι εκκινήσεις των κινητήρων καθορίζουν την ονομαστική ισχύ του αντιστροφέα που θα επιλεγεί.

Η χρήση ανεμογεννήτριας ή μη θα αποφασιστεί από τον μηχανικό-μελετητή ανάλογα με την εποχιακή χρήση του κτιρίου. Η ισχύς της καθορίζεται από τον πίνακα φορτίων σε συνδυασμό με το αιολικό δυναμικό της περιοχής και την καμπύλη της ανεμογεννήτριας.

Σε κάθε περίπτωση προτείνεται η επιλογή γεννήτριας υγρών καυσίμων το μέγεθος της οποίας δεν πρέπει να διαφέρει πολύ από το μέγεθος του αντιστροφέα.

Αφού έχουμε καταλήξει στα βασικά μεγέθη του αυτόνομου φωτοβολταϊκού ο μελετητής υπολογίζει τα μεγέθη των καλωδίων και των ασφαλειών που θα χρησιμοποιηθούν. Σε κάθε τμήμα του συστήματος η τάση λειτουργίας και το μέγιστο ρεύμα σε συνδυασμό με την απόσταση των καλωδίων καθορίζουν και τις διατομές που θα επιλεγούν.

Παράδειγμα

Στην παρούσα ενότητα παρουσιάζουμε με τη βοήθεια ενός απλού παραδείγματος τους υπολογισμούς που εξηγήθηκαν παραπάνω για ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα.

Στον πίνακα 3 παρουσιάζονται οι ηλεκτρικές ανάγκες του χρήστη κατά τους χειμερινούς μήνες:

Και στον πίνακα 4 παρουσιάζονται οι ηλεκτρικές ανάγκες κατά τους θερινούς μήνες.

Από την εξίσωση (2) και για Ν=3 μέρες αυτονομίας υπολογίζουμε το μέγεθος του απαιτούμενου φωτοβολταϊκού:

Με διαθέσιμα πλαίσια των 270Wp καταλήγουμε ότι απαιτούνται τουλάχιστον 9 φωτοβολταϊκά πλαίσια.

Επιλέγοντας έναν ρυθμιστή φόρτισης 85Α-100Α, ο οποίος «σηκώνει» πάνω από 2,4KWp φωτοβολταϊκά στα 24V παρατηρούμε ότι η τάση στην είσοδό του δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 150V. Κατά συνέπεια τα πάνελ θα συνδεθούν σε τριάδες (δηλαδή κάθε τριάδα σε σειρά και οι 3 τριάδες μεταξύ τους παράλληλα). Το καλώδιο που θα μεταφέρει την ηλιακή ενέργεια στον ρυθμιστή φόρτισης θα επιλεγεί ανάλογα με την απόσταση λαμβάνονται υπόψη την τάση του κλάδου (περίπου 100V έχουν τα 3 πάνελ σε σειρά) και το ρεύμα (περίπου 25Α οι 3 τριάδες παράλληλα).

To καλώδιο το οποίο θα συνδέσει τον ρυθμιστή φόρτισης με τις μπαταρίες και η ασφάλεια, θα επιλεγούν λαμβάνοντας υπόψη την τάση των μπαταριών (24V) και το μέγιστο ρεύμα που δύναται να δώσει στις μπαταρίες ο φορτιστής (100Α).

Από τον πίνακα 1 επιλέγουμε τάση συστοιχίας συσσωρευτών 24V ενώ από τον πίνακα 2 το βάθος εκφόρτισης και από την σχέση (1) έχουμε:

Λόγω της συνεχούς χρήσης του συστήματος και της σχετικά μεγάλης χωρητικότητας που απαιτείται επιλέγουμε 24 x 2βολτα στοιχεία στα 969Ah (C120) τα οποία .

Από τους πίνακες 3 και 4 από την στήλη ταυτόχρονων φορτίων επιλέγουμε αντιστροφέα τουλάχιστον 3000VA (προτείνεται 5000VA). Από την τάση των μπαταριών και τη μέγιστη ισχύ που δύναται να «τραβήξει» ο αντιστροφέας επιλέγεται η διατομή του καλωδίου και η ασφάλεια μπαταριών.

Παρακάτω παρουσιάζονται ενδεικτικά υλικά και το κόστος τους για το αυτόνομο φωτοβολταϊκό του παραδείγματος:

Για το παράδειγμα αυτό θα προτείναμε γεννήτρια 5kVA με πίνακα αυτοματισμού (καθώς ο συγκεκριμένος αντιστροφέας δύναται να την εκκινήσει αυτόματα). Ενδεικτικό κόστος μίας ποιοτικής γεννήτριας πετρελαίου με πίνακα αυτοματισμού είναι 1400€+ΦΠΑ.

Συμπέρασμα

Τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν μπει για τα καλά στη ζωή μας και αποτελούν ένα αξιόπιστο, ασφαλές και οικονομικό τρόπο ρευματοδότησης κτιρίων. Για να επιτευχθούν όμως τα παραπάνω θα πρέπει ο ενδιαφερόμενος να απευθυνθεί σε εξειδικευμένο μηχανικό έμπειρο σε αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα, ο οποίος θα αφουγκραστεί τις ανάγκες του και θα εκπονήσει αναλυτική μελέτη και υπολογισμούς.

Άρθρο του κ. Μιχαήλ Νικ. Πέτσιου, Διδάκτορος ΕΜΠ, Διπλ. Ηλεκτρολόγου Μηχανικού ΕΜΠ, Γενικού Δ/ντή και ιδιοκτήτη της MP-Energy

www.mp-energy.gr