Αυτόνομα Φωτοβολταϊκά συστήματα: Εισαγωγή, τρόπος υπολογισμού και παραδείγματα

Αυτόνομα Φωτοβολταϊκά συστήματα: Εισαγωγή, τρόπος υπολογισμού και παραδείγματα

Το αυτόνομο (off-grid ή stand-alone) φωτοβολταϊκό σύστημα είναι ένα σύστημα ηλεκτρικής τροφοδότησης ενός κτιρίου μη διασυνδεδεμένου με το δημόσιο δίκτυο (ΔΕΗ).

Τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά Mp-Energy είναι αξιόπιστα και οικονομικά.

Ένα οίκημα μπορεί να είναι μη διασυνδεδεμένο είτε γιατί το επιθυμεί ο ίδιος ο χρήστης θέλοντας να απαλλαγεί από τη ΔΕΗ, είτε γιατί το οίκημα είναι απομονωμένο και η διασύνδεσή του είναι κοστοβόρα. Στην τελευταία περίπτωση η απόσβεση της επένδυσης σε ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα ξεκινά απ’ την πρώτη ημέρα λειτουργίας του.

Υπάρχουν περιπτώσεις όπου απαιτείται αυτονομία ρεύματος για τροφοδότηση κρίσιμων φορτίων (όπως ψυγεία) κατοικιών, καταστημάτων, τουριστικών επιχειρήσεων, ξενοδοχειακών μονάδων υπό το φόβο ενός black-out. Και τότε τα συστήματα αυτονομίας ρεύματος με αποθήκευση σε συσσωρευτές αποτελούν βέλτιστη back-up λύση. Μπορεί να υπάρχουν και πολεοδομικοί λόγοι, ή απλά λόγοι επιθυμίας αυτονομίας ή και αυξημένης περιβαλλοντικής συνείδησης.

Με την πρόοδο της επιστήμης και της τεχνολογίας και την πτώση των τιμών των φωτοβολταϊκών πλαισίων καθίσταται αξιόπιστη και οικονομική η τροφοδότηση όλων των μεγεθών των καταναλώσεων, ακόμα και τριφασικών με αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα. Ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από:

• · Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια (photovoltaic modules) που συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια και τη μετατρέπουν σε ηλεκτρική
• · Το ρυθμιστή ή ελεγκτή φόρτισης (solar charge controller) που ρυθμίζει τη φόρτιση των συσσωρευτών και ταυτόχρονα τη μέγιστη απορρόφηση ισχύος από το φωτοβολταϊκό πεδίο στις εκάστοτε συνθήκες ηλιοφάνειας, σκίασης, προσανατολισμού – MPPT αλγόριθμος
• · To σύστημα των συσσωρευτών (μπαταρίες) που αποθηκεύει μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται κατά τη διάρκεια της ηλιοφάνειας, ώστε αυτή να λαμβάνεται κατά τη διάρκεια της νύχτας ή όταν υπάρχει συννεφιά, προσδίδοντας έτσι αυτονομία ρεύματος
• · Τον αντιστροφέα (inverter) που μετατρέπει το συνεχές (DC) ρεύμα του φωτοβολταϊκού συστήματος σε εναλλασσόμενο (AC) προς τροφοδότηση των φορτίων
• · (προαιρετικά) Σύστημα απομακρυσμένης παρακολούθησης της εγκατάστασης με απεικόνιση ανά πάσα στιγμή της κατανάλωσης του σπιτιού, της παραγωγής των φωτοβολταϊκών, της φόρτισης των μπαταριών.
• · (προαιρετικά) Το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος (γεννήτρια υγρών καυσίμων) για επικουρική φόρτιση των συσσωρευτών ή για πλήρη ανάληψη τροφοδότησης του φορτίου, σε περίπτωση αδυναμίας του φωτοβολταϊκού συστήματος, με σύστημα μεταγωγής ισχύος
• · (προαιρετικά) Την ανεμογεννήτρια που φορτίζει τους συσσωρευτές συμπληρωματικά σε σχέση με το φωτοβολταϊκό σύστημα – νύχτα, συννεφιά – και με την προϋπόθεση ύπαρξης επαρκούς αιολικού δυναμικού στην περιοχή της εγκατάστασης.

Πώς υπολογίζουμε ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα

Αρχικά καταγράφονται τα ηλεκτρικά φορτία της κατοικίας, δηλαδή οι συσκευές που υπάρχουν, οι ισχύες τους, οι ημερήσιες ώρες λειτουργίας τους και έτσι προκύπτει η συνολική ημερήσια κατανάλωση ενέργειας. Η συνολική ημερήσια κατανάλωση ενέργειας καθορίζει την συνολική ισχύ και τον αριθμό των φωτοβολταϊκών πλαισίων, που θα πρέπει να ικανοποιούν αυτή τη ζήτηση ενέργειας. Η επιλογή γίνεται συνήθως με βάση τη λογική της κάλυψης της χειρότερης περίπτωσης – χειμερινή λειτουργία. Το καλοκαίρι που έχουμε τουλάχιστον διπλάσιες ώρες ηλιοφάνειας, θα μπορούν να τροφοδοτηθούν τουλάχιστον διπλάσιες ώρες λειτουργίας των φορτίων. Η συνδεσμολογία των φωτοβολταϊκών πλαισίων καθορίζεται από την τάση εισόδου της βαθμίδας που ακολουθεί – ρυθμιστής φόρτισης.

Το επόμενο, κρίσιμο βήμα για την αξιόπιστη περαιτέρω λειτουργία ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού είναι η επιλογή του συστήματος των συσσωρευτών. Η τάση του συστήματος των συσσωρευτών – τάση εξόδου του ρυθμιστή φόρτισης και τάση εισόδου του αντιστροφέα - επιλέγεται με βάση την ισχύ του φωτοβολταϊκού πεδίου. Για πολύ μικρά συστήματα με 1-2 πλαίσια επιλέγονται τα 12V, για συστήματα με 3-12 πλαίσια επιλέγονται τα 24V και για μεγαλύτερα συστήματα τα 48V. Βασικό μέγεθος των συσσωρευτών είναι το βάθος εκφόρτισης – το πόσο εκφόρτιστη είναι η μπαταρία. Το γινόμενο του βάθους εκφόρτισης και της διάρκειας ζωής των συσσωρευτών είναι περίπου σταθερό. Διάρκεια ζωής είναι οι κύκλοι φόρτισης-εκφόρτισης που μπορούν να επιτελέσουν οι επαναφορτιζόμενοι συσσωρευτές. Στις φωτοβολταϊκές εφαρμογές υπάρχει η απαίτηση για μεγάλη διάρκεια ζωής των συσσωρευτών, καθότι πρόκειται για το πιο αναλώσιμο κομμάτι της εγκατάστασης - 8 έτη διάρκεια ζωής, ενώ τα φωτοβολταϊκά πλαίσια έχουν 30. Ως εκ τούτου επιλέγεται συνήθως βάθος εκφόρτισης 50%. Ανάλογα με τη χρήση επιλέγεται ο τύπος των συσσωρευτών. Για εξοχικές κατοικίες με σποραδικές απαιτήσεις επιλέγονται 12βολτοι συσσωρευτές AGM VRLA ή GEL VRLA με 800 περίπου κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης για βάθος εκφόρτισης 50%. Για μόνιμες κατοικίες με καθημερινή χρήση επιλέγονται 2βολτοι συσσωρευτές SOPzS-SOPzV με 2.500 περίπου κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης για βάθος εκφόρτισης 50%. Η χωρητικότητα του συστήματος των συσσωρευτών (αμπερώρια, Ah) καθορίζεται από το βάθος εκφόρτισης και τις επιθυμητές ημέρες αυτονομίας του συστήματος για κάλυψη των αναγκών σε περίπτωση συννεφιάς. Συνήθως επιλέγονται 2-3 ημέρες αυτόνομης χειμερινής λειτουργίας. Σε αυτή την περίπτωση το σύστημα των συσσωρευτών θα πρέπει να έχει δυνατότητα αποθήκευσης τετραπλάσιας περίπου ενέργειας, για βάθος εκφόρτισης 50%, σε σχέση με την ημερήσια κατανάλωση ενέργειας.  

Η ισχύς του αντιστροφέα επιλέγεται από την ισχύ των ταυτόχρονα λειτουργούντων φορτίων. Ειδικά εάν έχουμε ταυτόχρονη λειτουργία ενεργοβόρων συσκευών – πλυντήριο, κλιματιστικό, κουζίνα, αντλίες – αυτό σημαίνει αντίστοιχα απαίτηση για αντιστροφέα με μεγάλη ισχύ και κόστος. Ο χρήστης «εκπαιδεύεται» ώστε να μην λειτουργεί ταυτόχρονα τέτοιες συσκευές.

Το ρεύμα του ρυθμιστή φόρτισης προκύπτει από την ισχύ του φωτοβολταϊκού συστήματος και την τάση της μπαταρίας.

Τελευταίο και εξίσου σημαντικό βήμα της μελέτης ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού είναι οι καλωδιώσεις. Ανάλογα με την τάση και το μέγιστο ρεύμα κάθε τμήματος της DC εγκατάστασης – φωτοβολταϊκά πλαίσια-ρυθμιστής, ρυθμιστής-συσσωρευτές, συσσωρευτές-αντιστροφέας – επιλέγονται οι διατομές των καλωδίων και οι αντίστοιχες ασφάλειες, με βάση και τις αποστάσεις των εν λόγω τμημάτων. Το τμήμα συσσωρευτές-αντιστροφέας είναι το πιο απαιτητικό σε ρεύμα, γεγονός που μεταφράζεται σε μικρό μήκος καλωδίου, μεγάλη διατομή και αντίστοιχη ασφάλιση.

Τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι πλήρως επεκτάσιμα. Εάν ο χρήστης στο μέλλον επιθυμήσει να αυξήσει τις καταναλώσεις και δεν καλύπτεται ούτε από πιθανή συμπληρωματική χρήση ντιζελογεννήτριας, μπορούν να προστεθούν φωτοβολταϊκά πλαίσια, ρυθμιστές φόρτισης, συστοιχίες συσσωρευτών παράλληλα και αντιστροφείς παράλληλα.

Το αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα παρέχει επίσης ευελιξία στον μηχανικό/εγκαταστάτη να προσανατολίσει τα πάνελ σύμφωνα με το ενεργειακό προφίλ του χρήστη. Εάν για παράδειγμα έχουμε πρωινή χρήση του συστήματος τα πάνελ μπορούν να στραφούν νοτιοανατολικά ώστε να έχουμε μικρότερη καταπόνηση των μπαταριών. Εάν έχουμε απογευματινή χρήση τα πάνελ μπορούν να στραφούν νοτιοδυτικά ώστε να έχουμε μικρότερη καταπόνηση των μπαταριών. Θυμίζουμε ότι η εγκατάσταση για μέγιστη παραγωγή σε σταθερή ετήσια χρήση γίνεται σε νότιο προσανατολισμό με κλίση 30 μοιρών για τα γεωγραφικά πλάτη της Ελλάδας. Συστοιχίες πάνελ με διαφορετικό προσανατολισμό συνδέονται σε διαφορετικούς ρυθμιστές φόρτισης.

Παραδείγματα μελέτης αυτόνομων φωτοβολταϊκών συστημάτων

• v Καλοκαιρινή εξοχική κατοικία

Ας δούμε μία χαρακτηριστική περίπτωση εγκατάστασης αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος για την ηλεκτροδότηση εξοχικής κατοικίας για καλοκαιρινή κυρίως λειτουργία όπου δεν υπάρχει διασύνδεση με το δίκτυο. Αρχικά καταγράφονται λεπτομερώς τα φορτία και οι ημερήσιες καταναλώσεις τους:

Οι ενεργειακές ανάγκες είναι περίπου 2 kWh ημερησίως. Το μέγεθος αυτό καθορίζει τη συνολική ισχύ του φωτοβολταϊκού συστήματος. Η ημερήσια παραγωγή από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια επιβάλλεται να δύναται να καλύψει τις ημερήσιες ηλεκτρικές απαιτήσεις. Κατά προτεραιότητα, ικανοποιείται η ζήτηση ενέργειας και, δευτερευόντως, η περίσσεια της παραγωγής φορτίζει, σε εύλογο χρόνο, τη συστοιχία/τις παράλληλες συστοιχίες των συσσωρευτών.

Δύο φωτοβολταϊκά πλαίσια ισχύος 280 W_p μπορούν να παράξουν περίπου 3 kWh ημερησίως το καλοκαίρι. Το χειμώνα που οι ώρες ηλιοφάνειας είναι οι μισές το πολύ η παραγωγή περιορίζεται στη 1 kWh ημερησίως περίπου. Σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει να υπολογίζονται οι μισές το πολύ ώρες λειτουργίας των φορτίων. Φυσικά η χειμερινή λειτουργία του συστήματος δεν αποκλείεται. Εάν η επίσκεψη στην εξοχική κατοικία γίνεται τα σαββατοκύριακα, για παράδειγμα, η τροφοδότηση μπορεί να γίνει αποκλειστικά από τους συσσωρευτές. Ακολουθούν 5 ημέρες που δίνουν τη χρονική ευχέρεια ακόμα και στον ασθενή χειμερινό ήλιο να επαναφορτίσει τους συσσωρευτές, ώστε να τους βρούμε πλήρως φορτισμένους την επόμενη Παρασκευή το βράδυ. Στην περίπτωσή μας, όπου η εξοχική κατοικία προορίζεται για καλοκαιρινή κυρίως λειτουργία, δύο φωτοβολταϊκά πλαίσια ισχύος 280 W_p αρκούν.

Η ισχύς ταυτόχρονης λειτουργίας των φορτίων καθορίζει το μέγεθος του αντιστροφέα. Ο αντιστροφέας θα πρέπει να μπορεί να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις ισχύος των ταυτόχρονα λειτουργούντων φορτίων. Στην περίπτωσή μας η ονομαστική ισχύς του αντιστροφέα θα πρέπει να είναι τουλάχιστον 800 VA. Προτείνεται αντιστροφέας 1.200 VA.

Για δύο ημέρες αυτονομίας – στην Ελλάδα είναι σπάνιο το καλοκαίρι να έχουμε πάνω από δύο ημέρες χωρίς καθόλου ήλιο – πρέπει οι συσσωρευτές να μπορούν να αποδώσουν περίπου 4kWh. Επιλέγουμε δύο συσσωρευτές 12βολτους χωρητικότητας 280 Ah κλειστού τύπου AGM ή GEL VRLA, οι οποίοι για βάθος εκφόρτισης 60% μπορούν να δώσουν την απαιτούμενη αυτονομία.

Η ισχύς του ρυθμιστή φόρτισης προκύπτει από την ισχύ του φωτοβολταϊκού πεδίου. Ως εκ τούτου, στη συγκεκριμένη περίπτωση επιλέγουμε ρυθμιστή φόρτισης που μπορεί να αποδώσει ρεύμα 30Α στους συσσωρευτές στα 24V. Επιλέγεται «έξυπνος» ρυθμιστής με λειτουργία MPPT, ο οποίος εκτός από την επίβλεψη της φόρτισης των συσσωρευτών αναλαμβάνει και τη μέγιστη δυνατή απορρόφηση ενέργειας από τον ήλιο στις διαφορετικές συνθήκες ηλιοφάνειας.

Τέλος, μπορεί προαιρετικά να υπάρχει και φορτιστής συσσωρευτών για φόρτιση από γεννήτρια, βενζινογεννήτρια για παράδειγμα.

Το κόστος ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού για εξοχική κατοικία κυμαίνεται από 2.400€ μέχρι 2.800€ με ΦΠΑ και με Εγκατάσταση.

• v Μόνιμη κατοικία

Ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα μπορεί να ικανοποιήσει πλήρως και αξιόπιστα τις ενεργειακές απαιτήσεις μίας μόνιμης κατοικίας. Ας δούμε ένα παράδειγμα.

Αρχικά καταγράφονται τα φορτία της κατοικίας όπως στον προηγούμενο πίνακα, δηλαδή οι συσκευές που υπάρχουν, οι ισχύες τους, οι ημερήσιες ώρες λειτουργίας τους και έτσι προκύπτει η ημερήσια ζήτηση ενέργειας. Η καταγραφή γίνεται ούτως ώστε να καλύπτεται η χειρότερη περίπτωση από άποψη ηλιοφάνειας, δηλαδή η χειμερινή λειτουργία.

Η συνολική ημερήσια ζήτηση ενέργειας θα πρέπει να εξυπηρετείται από το φωτοβολταϊκό σύστημα. Δεδομένου ότι ένα πλαίσιο των 310 W_p παράγει το χειμώνα περίπου 0,6 kWh, για την κάλυψη της ενέργειας των 10 περίπου kWh απαιτούνται 18 εν λόγω πλαίσια. Το καλοκαίρι που οι ώρες ηλιοφάνειας είναι τουλάχιστον διπλάσιες, η παραγωγή του φωτοβολταϊκού είναι τουλάχιστον διπλάσια με αντίστοιχη δυνατότητα κάλυψης ημερήσιας κατανάλωσης ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι με τα υπάρχοντα φωτοβολταϊκά πλαίσια μπορούμε να έχουμε διπλάσιες τουλάχιστον ώρες λειτουργίας των φορτίων. Ή μπορούμε για παράδειγμα να λειτουργήσουμε λίγες περισσότερες ώρες όλες τις συσκευές και το κλιματιστικό πολύ περισσότερες ώρες όπως απαιτείται το καλοκαίρι.

Η ισχύς ταυτόχρονης λειτουργίας καθορίζει το μέγεθος, άρα και το κόστος, του αντιστροφέα. Εάν λειτουργούσαν ταυτόχρονα όλες οι ενεργοβόρες συσκευές – πλυντήρια, μάτια εστίας, φούρνος, κλιματιστικό, σίδερο, σκούπα, σεσουάρ – θα απαιτούνταν 3 αντιστροφείς των 8 kVA συνδεδεμένοι παράλληλα. Επιλέγοντας ταυτόχρονη λειτουργία 3 μόνο από τις ενεργοβόρες συσκευές, ένας αντιστροφέας των 10 kVA μάς καλύπτει. Προτείνεται ο αντιστροφέας να είναι ταυτόχρονα και φορτιστής των μπαταριών από γεννήτρια, ώστε να έχουμε επικουρική χρήση γεννήτριας υγρών καυσίμων αν απαιτηθεί.

Η τάση του συστήματος των συσσωρευτών λόγω του μεγέθους του φωτοβολταϊκού συστήματος επιλέγεται στα 48 V. Για 2 έως 3 μέρες αυτονομίας το χειμώνα απαιτούνται 24 2βολτοι συσσωρευτές των 965 Ah ανοικτού τύπου SOPzS με 2.500 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης για βάθος εκφόρτισης 50%. Εάν δεν υπάρχει δυνατότητα αερισμού του χώρου εγκατάστασης των συσσωρευτών χρησιμοποιούνται αντί αυτών κλειστού τύπου SOPzV συσσωρευτές των 990 Ah, οι οποίοι επιπροσθέτως δε χρειάζονται συντήρηση – συμπλήρωση απιονισμένου νερού -, έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, με αντιστάθμισμα φυσικά το μεγαλύτερο κόστος.

Τέλος η ισχύς του ρυθμιστή φόρτισης προκύπτει από την ισχύ του φωτοβολταϊκού συστήματος και την τάση της μπαταρίας οπότε επιλέγεται εν προκειμένω ρυθμιστής που μπορεί να αποδώσει στους συσσωρευτές ένταση ρεύματος 100 Α στα 48 V.

Το κόστος ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού για μία μόνιμη κατοικία όπως στο παραπάνω παράδειγμα κυμαίνεται από 14.000€ μέχρι 18.000€ με ΦΠΑ και με Εγκατάσταση.

Από τα παραπάνω είναι φανερό ότι τα αυτόνομα φωτοβολταικα αποτελούν αξιόπιστα συστήματα ρευματοδότησης κάθε είδους ηλεκτρικών φορτίων. Η ραγδαία πτώση των τιμών των φωτοβολταϊκών πλαισίων αλλά και των μπαταριών έχει οδηγήσει στην ευρεία χρήση των αυτόνομων συστημάτων σε δεκάδες εφαρμογές, από εξοχικές κατοικίες μέχρι μόνιμες κατοικίες αλλά και επιχειρήσεις καθώς οι τιμές αυτόνομων φωτοβολταϊκών συστημάτων MP-Energy είναι πλέον ιδιαίτερα προσιτές.

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

Δείτε περισσότερα για τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα στο www.mp-energy.gr