Baterie słoneczne

Urządzenia fotowoltaiczne i ich wykorzystanie

Około 40% promieniowania słonecznego dochodzącego do naszej planety jest odbijane przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 40% energii dociera do powierzchni Ziemi. Oświetlenie powierzchni Ziemi nie jest równomierne. Zależy od szerokości geograficznej, pory roku i pory dnia. Obliczono, że jednemu metrowi kwadratowemu powierzchni Ziemi Słońce dostarcza w ciągu dnia na naszej szerokości geograficznej średnio 2,7kWh energii.

Określenie fotowoltaika stosuje się do urządzeń przetwarzających światło słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną. Baterie słoneczne (ogniwa fotowoltaiczne) są to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko fotowoltaiczne do zamiany światła na prąd elektryczny. Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd, ale duża ilość ogniw, wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o użytecznej mocy. Ogniwa są zbudowane z krystalicznego krzemu domieszkowanego warstwami lub z cienkich warstw półprzewodników, zwykle uwodnionego krzemu amorficznego odpowiednio domieszkowanego (czasami arsenku galu). Sprawność ogniw w laboratoriach wynosi około 15%, natomiast stosowanych komercyjnie 4 – 8%.

Instalacje fotowoltaiczne znajdują coraz szersze zastosowanie jako źródła energii elektrycznej z dwóch zasadniczych powodów. Promieniowanie słoneczne jest wszędzie dostępne, a więc i urządzenia fotowoltaiczne mogą wszędzie produkować elektryczność. Otwiera to nieograniczone możliwości praktycznego zastosowania, szczególnie
w miejscach, gdzie tradycyjne zasilanie sieciowe jest niedostępne, albo ekonomicznie nieopłacalne. Poza tym, instalacje fotowoltaiczne wytwarzają energię elektryczną ekologicznie, nie zanieczyszczając środowiska, bez hałasu i innych negatywnych skutków ubocznych.

Ilość energii produkowanej przez fotoogniwa zależy głównie od nasłonecznienia baterii słonecznych. W różnych okresach roku mamy w Polsce różne nasłonecznienie na płaszczyznę w kWh/m2. Od tego jaki mamy miesiąc będziemy uzyskiwać z jednego panelu różną moc(różne nasłonecznienie). Panele słoneczne są jednak tak skonstruowane, że swoje napięcia(V) osiągają przy stosunkowo nie dużym nasłonecznieniu, natomiast moc(W) jest zależna
od nasłonecznienia. Przyjmuje się, że najlepszy okres w Polsce to od początku marca do końca września. Ponadto panel pv może być różnie nakierowany w stosunku do słońca. Najbardziej optymalnym położeniem paneli to kierunek południowy pod kątem 30stopni(dla okresu letniego) lub 60stopni(dla okresu zimowego). Położenie paneli w innym kierunku może spowodować spadek produkcji prądu z fotoogniw nawet o kilkadziesiąt procent. Jeżeli tworzony przez nas system ma zasilać odbiornik prądu 24h na dobę przez cały rok(np. nadajnik telekomunikacyjny, znaki drogowe itp.) musimy dopasować baterie słoneczne do okresu grudnia i stycznia(najmniejsze nasłonecznienie). Wówczas panele powinny znaleźć się pod kątem ok.60 stopni. Należy tu również zaznaczyć, że na panele nie powinien padać cień. Zacieniowanie paneli znacznie wpływa na produkcję energii. Nawet najmniejsze zacieniowanie(np.
z pobliskiego słupa, komina dachu, budynku sąsiada, drzewa itp.) może skutkować spadkiem produkcji o 50% lub więcej. Jak już ustalimy okres roku, w którym panele będą używane oraz ustaliliśmy ich położenie, powinniśmy(jeżeli nie znamy) poznać różnicę między mocą urządzeń(W) a zużyciem prądu(Wh).

Moduł fotowoltaiczny

Ogniwo fotowoltaiczne jest to urządzenie bezpośrednio przetwarzające energię słoneczną w energię elektryczną. Większość (około 95%) ogniw wykonana jest w technologii krzemowej. Dwie warstwy, dodatnia i ujemna pozwalają na wytworzenie się między nimi ładunku elektrycznego o napięciu około 0,5V i 2W mocy. Jest to zbyt mało na bezpośrednie wykorzystanie dlatego też łączy się takie ogniwa szeregowo lub równolegle w tzw. panele fotowoltaiczne, które są produktem docelowym. W ten sposób osiąga się odpowiednie napięcie i moc panela.

Panel fotowoltaiczny składa się z wielu modułów, które zostały wzajemnie połączone dla uzyskania większych mocy. Wytwarzają one prąd stały. Poziom prądu na wyjściu panelu zależy ściśle od nasłonecznienia, ale może być zwiększony poprzez równoległe łączenie modułów. Napięcie otrzymywane z modułu zależy w niewielkim stopniu od poziomu nasłonecznienia. Panel fotowoltaiczny może być zaprojektowany do pracy przy praktycznie dowolnym napięciu, aż do kilkuset woltów, dzięki szeregowemu łączeniu modułów. Dla małych zastosowań panele fotowoltaiczne mogą pracować tylko przy napięciu 12 lub 14 woltów, podczas gdy dla zastosowań dołączonych do sieci, duże panele mogą pracować przy napięciu 240 woltów lub więcej. Panele zamontowane na konstrukcjach mocujących z dołączonym okablowaniem nazywane są kolektorem fotowoltaicznym (PV array).

W mniejszych systemach kolektor fotowoltaiczny może zawierać pojedynczy panel. Dostępne obecnie na rynku są jedynie moduły wytwarzane z krzemu krystalicznego, krzemu amorficznego i CdTe. Moduły fotowoltaiczne są przeważnie płaskie i zawierają od 18 do 180 monokrystalicznych lub polikrystalicznych ogniw krzemowych.

Moc wyjściowa waha się od 30 Wp do 120 Wp. Sprawności modułów komercyjnych zwiększają się z roku na rok wraz z poprawą technologii. Najbardziej zaawansowane komercyjne moduły z krzemu krystalicznego wykazują obecnie sprawności powyżej 16 %, podczas gdy przeciętne moduły zawierające krzem mono- lub polikrystaliczny moją sprawności około 11 % do 13 %. Większość nich ma czas życia co najmniej 20 lat.

Czas zwrotu kosztów energii waha się od 2 do 6 lat w zależności od regionu i klimatu. Cienkowarstwowe moduły fotowoltaiczne są tańsze, przy produkcji masowej, niż moduły z krzemu krystalicznego, ale mają niższe wydajności. Większość dostępnych obecnie na rynku modułów z krzemu amorficznego ma sprawności pomiędzy 4 % i 8 %. Zwrot kosztów energii szacowany jest na 1 do 3 lat. Najlepsze moduły konstruowane są do zastosowań kosmicznych mają sprawności powyżej 20% i zawierają ogniwa słoneczne z arsenku galu o sprawnościach dochodzących do 30%. Panel fotowoltaiczny składa się z wielu modułów, które zostały wzajemnie połączone dla uzyskania większych mocy. Wytwarzają one prąd stały. Poziom prądu na wyjściu panelu zależy ściśle od nasłonecznienia, ale może być zwiększony poprzez równoległe łączenie modułów. Napięcie otrzymywane z modułu zależy w niewielkim stopniu od poziomu nasłonecznienia. Panel fotowoltaiczny może być zaprojektowany do pracy przy praktycznie dowolnym napięciu, aż do kilkuset woltów, dzięki szeregowemu łączeniu modułów. Dla małych zastosowań panele fotowoltaiczne mogą pracować tylko przy napięciu 12 lub 14 woltów, podczas gdy dla zastosowań dołączonych do sieci, duże panele mogą pracować przy napięciu 240 woltów lub więcej. Panele zamontowane na konstrukcjach mocujących z dołączonym okablowaniem nazywane są kolektorem fotowoltaicznym (PV array). W mniejszych systemach kolektor fotowoltaiczny może zawierać pojedynczy panel.

Kontroler ładowania

Kontroler ładowania to urządzenie niezbędne do poprawnego ładowania akumulatorów. Zapobiega on przeładowaniu jak i nadmiernemu rozładowaniu baterii, które mogłoby spowodować uszkodzenie lub skrócić ich żywotność. Kontroler powinien być odpowiednio dobrany do całego systemu. Gwarantuje to wtedy niezawodność i bezawaryjną pracę całego systemu.

 

Akumulator

Akumulator magazynuje energię wytworzoną przez panel fotowoltaiczny. Jest magazynem dla energii, która może być wykorzystana w nocy lub w dni pochmurne. Ważne jest aby akumulator był odpowiednio dobrany do systemu aby zapewnić optymalną pracę zasilanych urządzeń. Do magazynowania energii wykorzystywane są akumulatory o żelowej konsystencji elektrolitu. Są one mniej awaryjne, bezobsługowe oraz sprawiają mniej kłopotów w eksploatacji. Elektrolit w postaci żelu uniemożliwia jakiekolwiek wycieki a co za tym idzie zwiększa bezpieczeństwo użytkowania. Pozwala to również na montaż w różnych pozycjach w zależności od potrzeb.

Przetwornica AC/DC

Przetwornice AC/DC to urządzenia przetwarzające napięcie 12V DC na napięcie 230V / 50Hz. Pozwalają one na wykorzystanie energii z akumulatora do zasilania urządzeń codziennego użytku.

Dobór odpowiednich baterii słonecznych

Najpierw należy zdefiniować potrzeby:
1. Określamy napięcie pracy odbiornika (3, 5, 6 lub 12V).
2. Określamy moc pobieraną przez urządzenie [W].
3. Określamy dobowy czas pracy odbiornika.

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