ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

Μελέτη αυτόνομου φωτοβολταικού συστήματος σε ένα χωριό κοντά στην Πάτρα με γεωγραφικό πλάτος φ=38ο

1α. Πίνακας ηλεκτρικών καταναλώσεων κατά τη διάρκεια του χειμώνα 

KAI ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΜΕΣΗΣ ΗΜΕΡΗΣΙΑΣ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

1β. Πίνακας ηλεκτρικών καταναλώσεων κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού

KAI ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΜΕΣΗΣ ΗΜΕΡΗΣΙΑΣ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

2.Γωνία κλίσης των panel

Το μέρος που θα εγκατασταθεί το φωτοβολταικό σύστημα είναι ένα χωριό στη Πάτρα με γεωγραφικό πλάτος 38ο.

Μια πολύ χρήσιμη προσεγγιστική σχέση που συνδέειτη βέλτιστη γωνία κλίσης των Panel με το γεωγραφικό πλάτος είναι:

β=3,7+0,69*φ όπου φ το γεωγραφικό πλάτος του τόπου

Άρα η βέλτιστη γωνία κλίσης είναι 3,7+0,69*38=30ο

Όπως προέκυψε από τα παραπάνω δεδομένα η μέση ημερήσια ηλεκτρική κατανάλωση: 

κατά τη διάρκεια των χειμερινών μηνών είναι 7,7 ΚWh και 
κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών μηνών είναι 16,8 ΚWh με χρήση κλιματιστικού. 

Ωστόσο επειδή είναι πιθανό να προκύψουν και πρόσθετες ηλεκτρικές καταναλώσεις (φορτιστής τηλεφώνου, μικροσυσκευές) θεωρώ ότι:

Η μέση ημερήσια ηλεκτρική κατανάλωση:

κατά τη διάρκεια των χειμερινών μηνών είναι  8 ΚWh  και 

κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών μηνών είναι 17 ΚWh με χρήση κλιματιστικού και 8 ΚWh χωρίς χρήση κλιματιστικού. 

Έχω δηλαδή σαν αποτέλεσμα ότι χωρίς κλιματιστικό, χειμώνα και καλοκαίρι η μέση ημερήσια ηλεκτρική κατανάλωση  είναι ίδια, 8 ΚWh χωρίς τη χρήση κλιματιστικού

Επειδή όμως θα θεωρήσουμε ότι θα γίνεται χρήση του κλιματιστικού κατά τους θερινούς μήνες, θα πρέπει να υπολογίσουμε την απαιτούμενη εγκατεστημένη ισχύ ξεχωριστά για τους θερινούς και τους χειμερινούς μήνες.

3.ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΙΣΧΥΣ ΑΙΧΜΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗΣ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑΣ
(πόση ισχύ θέλω να πάρω από τα panel που θα βάλω για να μου καλύψουν την απαιτούμενη ημερήσια ηλεκτρική ενέργεια των 8KWh το χειμώνα και 17KWh το καλοκαίρι)

3α.ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΠΡΩΤΗ

Στη μελέτη των χειμερινών μηνών όπου το φορτίο ανέρχεται στις 8 KWh ημερησίως, θα χρησιμοποιήσουμε τα δεδομένα του μήνα Δεκεμβρίου ( χειρότερος μήνας) όπου η μέση ημερήσια ηλιακή ακτινοβολία είναι 3,11 ΚWh/m2  την ημέρα (τα δεδομένα τα παίρνω από το PVGIS όπως θα δούμε παρακάτω)

http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

Μετεωρολογικά στοιχεία της περιοχής (PVGIS)
Η γνώση των μετεωρολογικών στοιχείων της περιοχής που θα γίνει η εγκατάσταση του συστήματος είναι πάρα πολύ σημαντική, διότι η ηλιοφάνεια, η μέση ημερήσια θερμοκρασία και η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι σημαντικοί παράγοντες, οι οποίοι καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό την απόδοση του Φ/Β συστήματος.

Φυσικά, λόγω της μεγάλης εξάπλωσης των πληροφοριών, υπάρχουν πολλές διαφορετικές πηγές μετεωρολογικών δεδομένων, οι οποίες παρουσιάζουν μια μικρή απόκλιση μεταξύ τους.

 Για τις δικές μας μελέτες προτιμήθηκε να χρησιμοποιηθούν τα μετεωρολογικά δεδομένα του PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System) και στην επόμενη εικόνα  φαίνεται η αρχική σελίδα και το περιβάλλον εργασίας της συγκεκριμένης βάσης δεδομένων .

Το PVGIS παρέχει διαδραστικούς χάρτες, στους οποίους έχει γίνει καταγραφή των ηλιακών ενεργειακών πόρων, καθώς επίσης και εκτίμηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Φ/Β συστήματα στην Ευρώπη, την Αφρική και την Νοτιοδυτική Ασία.
 Επιλέχθηκε μεταξύ άλλων πηγών, λόγω της μεγάλης αξιοπιστίας του (είναι επίσημο εργαστήριο της Ευρωπαϊκής Ένωσης και ανήκει στο Ευρωπαϊκό Ινστιτούτο Ενέργειας  και της συμβατότητάς του με το λογισμικό PVsyst, ώστε να υπάρχει δυνατότητα εισαγωγής των μετεωρολογικών στοιχείων.

Στην παρούσα εργασία, η περιοχή εγκατάστασης είναι η πόλη της Πάτρας

 Από το PVGIS εξάγονται τα εξής στοιχεία για την περιοχή (patra, Greece):

 Γεωγραφικό πλάτος: 38°14'47" ΒόρειαØ
 Γεωγραφικό μήκος: 21°44'4" ΑνατολικάØ
 Υψόμετρο:Ø 15m (πάνω από το επίπεδο της θάλασσας).

Η εξαγωγή των παραπάνω αποτελεσμάτων γίνεται αν, από την κεντρική σελίδα του PVGIS, βάλω στο <<search>> την Πάτρα και στη καρτέλα <<monthly radiation>>, επιλέξουμε τα 4 πεδία που φαίνονται στην επόμενη εικόνα. και πατήσω calculate

Τα πεδία αυτά, αναφέρονται στην ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο, ημερήσια ενέργεια προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σε γωνία που τοποθετούνται τα panel , στο λόγο της διάχυτης προς την ολική ακτινοβολία και στην μέση ημερήσια θερμοκρασία. 

Η επιλογή των συγκεκριμένων πεδίων έγινε διότι αυτά είναι τα στοιχεία που χρειάζεται το PVGIS για να ορίσει τα μετεωρολογικά στοιχεία και την τοποθεσία κάθε περιοχής. 

Τα αποτελέσματα που παίρνω είναι τα ακόλουθα:

Προχωράμε στους υπολογισμούς

3β.ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΔΕΥΤΕΡΗ

Στη μελέτη των θερινών μηνών σαν θερινούς μήνες θα θεωρήσουμε τους μήνες Ιούνιο-Ιούλιο-Αύγουστο γιατί τότε συνηθίζεται να χρησιμοποιείται το κλιματιστικό, οπότε και το ημερήσιο φορτίο της αγροικίας ανέρχεται στις 17 ΚWh.

 Θα χρησιμοποιήσουμε τα δεδομένα του μήνα Αυγούστου (χειρότερος μήνας) όπου η μέση ημερήσια ηλιακή ακτινοβολία είναι 7,32 ΚWh/m2  την ημέρα (πληροφορία από PVGIS)

 διαφάνεια 1

  διαφάνεια 2

  διαφάνεια 3

διαφάνεια 4

Μεταξύ των δύο παραπάνω περιπτώσεων έχουμε περίπου το ίδιο αποτέλεσμα.
Δηλαδή ότι η εγκατεστημένη ισχύς του συστήματος πρέπει να είναι 4,08 KW το χειμώνα ή 3,83 ΚW το καλοκαίρι

Άρα η ισχύς αιχμής της φωτοβολταικής συστοιχίας θα πρέπει να είναι η μεγαλύτερη 4.08 ΚW

4.ΕΠΙΛΟΓΗ PANEL

ΜΕΓΙΣΤΗ ΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗΣ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑΣ

Η τάση της φωτοβολταικής συστοιχίας πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την τάση των συσσωρευτών επειδή η μπαταρία θα πρέπει να φορτίζεται σε τάση αυξημένη κατά 20% της ονομαστικής όσο αυτό είναι δυνατό.
Επίσης θα πρέπει να είναι μέσα στα όρια λειτουργίας του φορτιστή.
 Συνήθως προτιμούμε τάση 12V, 24V ή 48V.

Η μπαταρία π.χ των 24V αποτελείται από 12 στοιχεία των 2V. Κάθε στοιχείο της φορτίζει στα 2,2V, άρα για την φόρτιση ολόκληρης της μπαταρίας απαιτείται τάση  2,2V * 12 = 26,4V τουλάχιστον. Καλό θα είναι ο να φορτίζεται στο 20% επιπλέον της τάσης, δηλαδή στα 28,8 V

Όσο υψηλότερη τάση χρησιμοποιούμε στο σύστημα τόσο μικρότερο ρεύμα απαιτείται, που συνεπάγεται ελαχιστοποίηση των απωλειών στα καλώδια.
Ωστόσο για να έχουμε υψηλή τάση θα πρέπει να συνδέσουμε μεγάλο αριθμό συσσωρευτών σε σειρά, που κάτι τέτοιο αυξάνει σημαντικά το κόστος εγκατάστασης. 

Στην παρούσα μελέτη αποφάσισα να χρησιμοποιήσω inverter τάσης εισόδου 24V και συνεπώς η τάση της φωτοβολταικής συστοιχίας και των συσσωρευτών θα είναι 24V

Επιλέγω πολυκρυσταλλικά πλαίσια Mitsubishi PV-TJ230GA6 230W , τα χαρακτηριστικά του οποίου φαίνονται στον παρακάτω πίνακα

Τώρα θα πρέπει να υπολογίσω και τον αριθμό των πάνελ καθώς και την συνδεσμολογία τους

Θα πρέπει να συνδέσω τόσα panel σε σειρά έτσι ώστε η τάση της φωτοβολταικής  συστοιχίας να είναι στην περιοχή τάσης λειτουργίας του φορτιστή και τη max DC voltage εισόδου του φορτιστή

Επειδή η τάση του panel (30,2V) καλύπτει την επιθυμητή τάση της φωτοβολταικής συστοιχίας (24V) δεν θα χρειαστεί να συνδέσω panel σε σειρά.

Θα πρέπει να υπολογίσω τον αριθμό των panel που θα συνδέσω παράλληλα.

Θα διαιρέσω την απαιτούμενη εγκατεστημένη ισχύ με την ισχύ του panel

Ν(παράλληλα)=4080W/230W=17,7=18 panel

5.ΕΠΙΛΟΓΗ ΡΥΘΜΙΣΤΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ

Ο ρυθμιστής φόρτισης είναι μια συσκευή με ηλεκτρονικές διατάξεις η οποία φροντίζει έτσι ώστε η φόρτιση των συσσωρευτών να γίνει σωστά

Σε περίπτωση που ο συσσωρευτής κατά τη φόρτιση έχει φτάσει στη μέγιστη κατάσταση φόρτισης τότε ο ρυθμιστής διακόπτει την διαδικασία της φόρτισης ώστε να αποφευχθούν οι υπερτάσεις στον συσσωρευτή οι οποίες μπορεί να οδηγήσουν σε μείωση των ορίων φόρτισης του (SOC-State of Charge).

Ταυτόχρονα, στη διαδικασία εκφόρτισης του συσσωρευτή, ο ρυθμιστής ελέγχει ώστε να αποφευχθούν οι συνέπειες της υπερεκφόρτισης.

Ουσιαστικά οι βασικές λειτουργίες ενός ρυθμιστή φόρτισης είναι η βέλτιστη φόρτιση των μπαταριών και η προστασία από υπερφόρτιση, η πρόληψη της εκτός ορίων εκφόρτισης και οι γενικές πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση φόρτισης των μπαταριών (SOC).

1) BULK : Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης του κύκλου φόρτισης,η τάση αυξάνεται σταδιακά στο επίπεδο Bulk συνήθως 14,4 με 14,6 βολτ, ενώ οι μπαταρίες απορροφούν μέγιστο ρεύμα. Όταν επιτευχθεί το παραπάνω επίπεδο τάσης αρχίζει το επόμενο στάδιο absorption.

2) ABSORPTION :Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, η τάση διατηρείται στη τάση της Bulk φάσης για ένα καθορισμένο χρονικό διάστημα (συνήθως μία ώρα),ενώ η ένταση βαθμιαία μειώνεται, καθώς οι μπαταρίες φορτίζονται.

3) FLOAT : Όταν ο χρόνος της absorption φάσης περάσει, η τάση μειώνεται στο επίπεδο της Float τάσης (συνήθως 13,4 έως 13,7V) και οι μπαταρίες απορροφούν ένα μικρό ρεύμα συντήρησης μέχρι τον επόμενο κύκλο.
Η σχέση μεταξύ της έντασης και της τάσης κατά τη διάρκεια των 3 φάσεων του κύκλου φόρτισης απεικονίζεται από το παραπάνω γράφημα.

Οι περισσότεροι ρυθμιστές φόρτισης πολλαπλών σταδίων είναι Pulse Width Modulation (PWM) τύπου.

Οι νεότεροι Maximum Power Point Tracking (MPPT) ελεγκτές είναι ακόμη καλύτεροι. Αυτό που κάνουν είναι να ταιριάζουν την παραγόμενη τάση  των ηλιακών συλλεκτών με αυτήν  της τάσης της μπαταρίας εξασφαλίζοντας έτσι μέγιστη φόρτιση (αμπέρ).

Στη χαρακτηριστική καμπύλη του φωτοβολταϊκού, το σημείο λειτουργίας του καθορίζεται από την τάση της μπαταρίας.

Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τα φωτοβολταϊκά πλαίσια να μην λειτουργούν πάντα στο μέγιστο σημείο λειτουργίας
(Maximun Power Point Tracking - MPP) και να μην γίνεται η βέλτιστη χρήση της ηλιακής ακτινοβολίας.

 Για να αποφευχθούν αυτές οι απώλειες ενέργειας, ο ρυθμιστής φόρτισης περιέχει και έναν ανιχνευτή MPP.

Σε τακτά χρονικά διαστήματα, περίπου των πέντε λεπτών, παρακολουθείται το ρεύμα και η τάση από την χαρακτηριστική καμπύλη του φωτοβολταϊκού και έτσι καθορίζεται η ισχύς του
MPP.

 Ο ρυθμιστής έχει οριστεί ώστε να παίρνει τη βέλτιστη ισχύ από τα
φωτοβολταϊκά πλαίσια, με αποτέλεσμα να προσαρμόζει την τάση φόρτισης της μπαταρίας.

Για παράδειγμα: αν το ηλιακό πάνελ είναι 100 WATT, δεν θα πάρετε ακριβώς τα 100 WATT, εκτός εάν η μπαταρία είναι σε βέλτιστη τάση. 

Η Ισχύς - Watts είναι πάντα ίση με Volts επί Amps ή P = V * I (βλέπε νόμο του Ohm για περισσότερες πληροφορίες).

Με έναν κανονικό ρυθμιστής φόρτισης τύπου Pulse Width Modulation (PWM), αν οι μπαταρίες έχουν χαμηλή τάση ας πούμε  12,4 Volt, τότε το ηλιακό πάνελ των 100 watt  πού δίνει  περίπου 6 αμπέρ στα 16,5 Volt (6 αμπέρ επί 16,5 Volt = 100 Watt) θα φορτίσει με ρεύμα έντασης 6 αμπέρ στα 12,4 Volt ή απλά 75 watt. Θα χάσει δηλαδή το 25% των δυνατοτήτων του!

Ο ελεγκτής MPPT αντισταθμίζει την χαμηλότερη τάση της μπαταρίας με το να δίνει στην μπαταρία τάσης 12,4 Volt με ένταση ρεύματος πιο κοντά  στα 8 αμπέρ διατηρώντας έτσι την πλήρη ισχύ 100 watt των ηλιακών πάνελ! 100 watts = 12,4 Volt επί 8 αμπέρ (P = V * Ι).

Ο ελεγκτής φόρτισης εγκαθίστανται  μεταξύ των φωτοβολταϊκών πάνελ και των μπαταριών φορτίζοντας αυτόματα τις μπαταρίες χρησιμοποιώντας τους 3 κύκλος φόρτισης που περιγράψαμε παραπάνω. 

Ο μετατροπέας ρεύματος μπορεί να φορτίσει τις μπαταρίες, επίσης, αν είναι συνδεδεμένο με το δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος ή σε περίπτωση stand alone σύστημα, τη δική σας γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος.

Ταυτόχρονα, στη διαδικασία εκφόρτισης του συσσωρευτή, ο ρυθμιστής ελέγχει ώστε να αποφευχθούν οι συνέπειες της υπερεκφόρτισης.

Ουσιαστικά οι βασικές λειτουργίες ενός ρυθμιστή φόρτισης είναι η βέλτιστη φόρτιση των μπαταριών και η προστασία από υπερφόρτιση, η πρόληψη της εκτός ορίων εκφόρτισης και οι γενικές πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση φόρτισης των μπαταριών (SOC).

Πάμε στους υπολογισμούς μας

Εγώ έχω 18 string του ενός panel το καθένα παράλληλα συνδεδεμένα

Το συνολικό ρεύμα λειτουργίας των παράλληλων κλάδων είναι
 18 string*7,62Α=137,16Α

Επειδή το συνολικό ρεύμα λειτουργίας των παράλληλων κλάδων είναι μεγάλο και δεν υπάρχει φορτιστής 24V με τόσο μεγάλο ρεύμα εισόδου θα χωρίσω τα panel σε 4 ομάδες των 4 string και 1 ομάδα των 2 strimg.

Το συνολικό ρεύμα λειτουργίας των ομάδων με τα 4 // panel θα είναι
Impp= 4*7,62Α=30,48Α
 Το συνολικό ρεύμα βραχυκύκλωσης θα είναι
 Isc(70οC) =4*8,98Α=35,92Α

To ρεύμα εισόδου του φορτιστή που θα επιλέξω θα πρέπει να είναι πάνω από 30,48 Α και το μέγιστο ρεύμα εισόδου πάνω από 35,92 Α

Άρα θα χρησιμοποιήσω 5 ομάδες φωτοβολταικών (4 string*1 panel  οι 4 ομάδες και 2 strimg*1 panel η μια ομάδα) και 5 φορτιστές Xantrex των 40 Α (o οποίος έχει ρεύμα εισόδου 40A και max peak current 85A) 

Στην παρούσα μελέτη τα ΦΒ panel θα οργανωθούν σε 5 ομάδες. Είναι προφανές λοιπόν ότι απαιτούνται 5 ρυθμιστές φόρτισης.

Τα ΦΒ panel που επιλέξαμε παράγουν ισχύ 230Wp και σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά που δίνει ο κατασκευαστής, το ρεύμα και η τάση τους είναι Ιmpp=7,62Α, Vmpp=30,2V, Isc=8,39A, Voc=36,6V και
 Ιsc( 70oC)=8,98Α, Vmpp (70oC)= 25,97V,  VoC( -10oC)= 40,63V
,
Ο τύπος των ρυθμιστών φόρτισης που θα τοποθετηθούν στο σύστημά μας εξαρτάται κυρίως από την τάση και το ρεύμα που παράγει η κάθε ομάδα ΦΒ panel. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, τα panel θα οργανωθούν σε 4 ομάδες των 4 παράλληλων  panel και 1 ομάδα των 2 παράλληλων panel που θα παράγουν ρεύμα
Impp =4*7,62=30,48Α, Isc=4*8,39=33,56A, Isc(70oC)=4*8,98=35,92A και τάση 

Vmpp=30,2V, Vmpp (70oC)= 25,97V, Voc=36,6V, Voc(-10oC)=40,63V η κάθε μία εκτός της τελευταία με τα 2 string.

 Συνεπώς μια καλή επιλογή θα ήταν να χρησιμοποιήσουμε ρυθμιστές φόρτισης τύπου xantrex C40.

Η τάση εξόδου των φωτοβολταικών θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη και στην καλύτερη περίπτωση περίπου  1,2*τάση εισόδου του φορτιστή=1,2*24V=28,8V . Πράγματι η τάση εξόδου των ΦΒ είναι 25,97 έως 30,2 V.
η  max τάση εισόδου του είναι 125V>Voc(-10oC) 
Tο ρεύμα εισόδου είναι 40Α>Impp και max ρεύμα εισόδου είναι 85A>Isc(70oC)

Μια άλλη επιλογή φορτιστή είναι να πάρουμε  από την εταιρεία SMA τον ρυθμιστή φόρτισης Sunny Island Charger 50 με ονομαστική τάση συσσωρευτή 24V.

Παρατηρώ ότι το βέλτιστο εύρος τιμών τάσης Μppt είναι 40V-80V
 Επειδή για τα Φ/Β πάνελ η Vmpp(stc)=30,2 V και Vmpp(70oC)=25,97 V πρέπει να συνδέσουμε 2 πάνελ σε σειρά 

 Επίσης επειδή η τάση ανοιχτού κυκλώματος των πάνελ είναι VOC(-10οC)=40,63V, δεν ξεπερνάμε τη μέγιστη DC τάση του ρυθμιστή που είναι 140V.

Άρα επειδή έχουμε 18 πάνελ θα συνδέσουμε 9 string*2 panel

Το συνολικό ρεύμα λειτουργίας των παράλληλων string είναι
9 string*7,62Α=68,58 Α

Επειδή το συνολικό ρεύμα λειτουργίας των string είναι μεγάλο και o φορτιστής 24V έχει ρεύμα εισόδου 40 Α θα χωρίσω τα panel σε 3 ομάδες των 3 παράλληλων string *2 panel.

Το συνολικό ρεύμα λειτουργίας των ομάδων με τα 3 string θα είναι
 Impp= 3*7,62Α=22,86Α
 Το συνολικό ρεύμα βραχυκύκλωσης Isc(70οC) θα είναι 3*8,98Α=26,94Α

To ρεύμα εισόδου του φορτιστή Sunny island charger 50 είναι 40A

Άρα θα χρησιμοποιήσω εκ πρώτης όψεως 3 ομάδες φωτοβολταικών (3 string*2panel κάθε ομάδα) και 3 φορτιστές  Sunny island charger 50 -24 V

ΠΡΟΣΟΧΗ η μέγιστη συνολική ισχύς που δέχεται κάθε φορτιστής από τα Φ/Β πάνελ είναι 

6 πανελ*230W=1380W>από τη max φβ ισχύ που μπορεί να δεχτεί ο φορτιστής και είναι 1250W.

Άρα ο αριθμός των φορτιστών που θα πρέπει να χρησιμοποιήσω είναι 4140W/1250W=3,31=4 φορτιστές στους οποίους όμως δεν μπορώ να μοιράσω τα 18 πάνελ ( 2 σε σειρά).

Έτσι σε αυτή τη περίπτωση θα πρέπει να πάρω 5 φορτιστές και να τους συνδέσω ως εξής :  
4 φορτιστές (2 string*2 panel)
1 φορτιστής (1 string*2 panel)

Ed: Average daily electricity production from the given system (kWh)

Em: Average monthly electricity production from the given system (kWh)

Hd: Average daily sum of global irradiation per square meter received by the modules of the given system (kWh/m2)

Hm: Average sum of global irradiation per square meter received by the modules of the given system (kWh/m2)

Από τα προηγούμενα αποτελέσματα βλέπω ότι τις απαιτούμενες Εd 17 KWh δεν τις παίρνουμε από Ιούνιο έως Αύγουστο

Τις 8 KWh περίπου όλους τους μήνες (εκτός Δεκέμβριο)

Για να έχω πλήρως σωστά αποτελέσματα θα πρέπει να αυξήσω τον αριθμό των πλαισίων και να κάνω την ισχύ της εγκατάστασης από 4,14KW σε 4,7 KW

Σε αυτή τη περίπτωση θα έχω τα παρακάτω αποτελέσματα

Παρατηρώ ότι ναι μεν πετυχαίνω το στόχο μου να παράγω την απαιτούμενη ενέργεια των 17Kwh τους καλοκαιρινούς μήνες αλλά παράγω πολύ περισσότερες τους υπόλοιπους και αυτό είναι ασύμφορο

Γι΄αυτό ανάλογα αν πηγαίνετε στο σπίτι σας μόνο το καλοκαίρι αυξάνετε τα panel της εγκατάστασης, ενώ αν πηγαίνετε όλο το χρόνο τότε αφήνετε αυτά που υπολογίσαμε

Εμείς θα συνεχίσουμε τη μελέτη μας ως έχει:

6.ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΜΠΑΤΑΡΙΑΣ

Ονομαστική χωρητικότητα το Χειμώνα

Το χειμώνα έχουμε ζήτηση 8 ΚWh και θέλουμε n=3, (3 μέρες αυτονομία)

C=(Eκε*n)/(σγΒ*σεκ*βεκ*Vβ)=(8000*3)/(0,8*0,91*0,5*24)=2747 Αh

Ονομαστική χωρητικότητα το Καλοκαίρι

Το καλοκαίρι  έχουμε ζήτηση 17 ΚWh και θέλουμε 1 μέρα αυτονομίας n=1
C=(Eκε*n)/(σγΒ*σεκ*βεκ*Vβ)=(17000*1)/(0,8*0,91*0,5*24)=1946 Αh

Από τα προηγούμενα οδηγούμαστε στο συμπέρασμα ότι θα επιλέξουμε συσσωρευτές που να καλύπτουν τη μεγαλύτερη ζήτηση των 2747 Αh

Επιλέγω τον συσσωρευτή Rolls 4000T12 250 (200Ah 12V) του οποίου τα χαρακτηριστικά φαίνονται στην παρακάτω διαφάνεια, καθώς και όλη η σειρά της οικογένειας των μπαταριών Rolls

Άρα είναι προφανές ότι θα χρειαστούμε 2747/183,5=14,9=15 παράλληλους κλάδους συσσωρευτών, καθένας από τους οποίους θα αποτελείται από 2 σε σειρά συσσωρευτές.

Δηλαδή συνολικά η συστοιχία των συσσωρευτών θα αποτελείται από 30 μπαταρίες (2*15 σειρές)

Επίσης τα αμπερώρια των συσσωρευτών είναι 15*183,5Ah=2752Αh και θα πρέπει τα συνολικά ampere των ρυθμιστών φόρτισης να μην ξεπερνούν το 1/10 των αμπερωριών της συστοιχίας των μπαταριών  που είναι 2752/10=275,2 Α.

Η σύνδεση σε σειρά καθορίζει την ονομαστική τάση (2*12V=24V) και η παράλληλη σύνδεση καθορίζει την ονομαστική χωρητικότητα (15*183,5Αh=2752Ah)

Το σύνολο των αναγκαίων καθημερινών Αh που χρειαζόμαστε και προέρχονται (θα τα πάρουμε) από το συσσωρευτή είναι:
α) 17000 Wh(καλοκαίρι)/24 Volt=708 Ah=708 Αh*1 μέρα αυτονομίας=708 Αh το καλοκαίρι

β)  8000 Wh(χειμώνα)/24 V=333,3 Ah*3 μέρες αυτονομίας=1000 Αh το χειμώνα

To ποσοστό εκφόρτισης του συσσωρευτή σε μια μέρα ισούται με:
α) 708 Αh/2752 Ah=0,25 ή 25% (δηλαδή ο συσσωρευτής εκφορτίζεται κατά 25% σε μια μέρα το καλοκαίρι) που βρίσκεται κάτω του ορίου που δίνει ο κατασκευαστής (50%).
 β) 1000 Αh/2752 Ah=0,36 ή 36% (δηλαδή ο συσσωρευτής εκφορτίζεται κατά 36%  σε 3 μέρες το χειμώνα) που βρίσκεται κάτω του ορίου που δίνει ο κατασκευαστής (50%).

Ή αλλιώς η διαθέσιμη χωρητικότητα του συσσωρευτή είναι 

2752Αh*0,5(50% εκφόρτιση)=1376Ah>1000Αh(3 μέρες το χειμώνα)

Η ηλεκτρική ενέργεια που αποθηκεύεται στο συσσωρευτή είναι 2752Αh*24V=66KWh

Η φόρτιση του συσσωρευτή πρέπει να γίνει με ρεύμα <C/10 <2752/10<275,2A
Χρόνος φόρτισης με ρεύμα φόρτισης Ιφ=228,6 Α:
 tφ=βεκφ*C/nq (βαθμός απόδοσης)*Iφ=0,5*2752/0,9*228,6=6 h και 40 min

διαφάνεια 5

διαφάνεια 6

7.ΕΠΙΛΟΓΗ INVERTER

Επειδή τα φορτία της αγροικίας είναι πολυάριθμα και τα συνολικά τους KW πολλά, είναι βολικό να τα μοιράσουμε σε δύο ομάδες και κάθε μία να ελέγχεται από ένα inverter.

 Αν δεν κάνουμε κάτι τέτοιο τότε θα αναγκαστούμε να επιλέξουμε ένα Inverter μεγάλης ισχύος για τον οποίο θα ξοδέψουμε πολλά χρήματα και επίσης θα περιορίσουμε τις ανέσεις της οικογένειας. Επίσης σε περίπτωση βλάβης του ενός inverter η παροχή ρεύματος στην αγροικία δεν θα χρειαστεί να κοπεί εντελώς. Σ’ αυτή την περίπτωση σίγουρα οι ηλεκτρικές καταναλώσεις θα πρέπει να περιοριστούν. Ωστόσο θα πρέπει να καλύψουμε τις βασικές ανάγκες της οικογένειας μέχρι να αποκατασταθεί η βλάβη.

Γι’ αυτό λοιπόν πρέπει να γίνει ένας διαχωρισμός των φορτίων και μια εκτίμηση των συσκευών που θα λειτουργήσουν ταυτόχρονα σε κάθε μία από τις δύο ομάδες συσκευών.

Στον παρακάτω πίνακα νεται ο διαχωρισμός των φορτίων

Λόγω ετεροχρονισμού των ηλεκτρικών συσκευών δεν υπάρχει περίπτωση να λειτουργήσουν όλες οι συσκευές ταυτόχρονα. Χονδρικά εκτιμάται ότι σε καμιά από τις δύο ομάδες φορτίων δεν θα ξεπεράσει τα 3500W(ταυτόχρονα). 

Όσον αφορά την ομάδα Α θα ενημερώσουμε την οικογένεια ότι ο ψυγειοκαταψύκτης(800W), ο απορροφητήρας(260W),,το moulinex (200W), ο αναδευτήρας καφέ(15W) τα φώτα εσωτερικού χώρου(174W),(ΣΥΝΟΛΟ 1429W), μπορούν να λειτουργήσουν ταυτόχρονα με μία μόνο από τις υπόλοιπες συσκευές της ομάδας.

 Όσον αφορά την ομάδα Β θα ενημερώσουμε την οικογένεια ότι η καφετιέρα(700W), η τηλεόραση(80W), το PC(50W), ο εκτυπωτής(20W),το στερεοφωνικό (100W), τα φώτα εξωτερικού χώρου(180W), ο αναδευτήρας χειρός(180W) και οι ανεμιστήρες(180W). (ΣΥΝΟΛΟ 1490W), μπορούν να λειτουργήσουν ταυτόχρονα με μία μόνο από τις υπόλοιπες συσκευές της ομάδας.

Σε αντίθεση με τα διασυνδεδεμένα συστήματα, στα αυτόνομα δεν έχουμε λόγο να ελέγξουμε αν η τάση εισόδου του ιnverter ξεπεράσει την αποδεκτή τιμή για το λόγο ότι ο inverter τροφοδοτείται από την μπαταρία με σταθερή τάση

8. ΕΠΙΛΟΓΗ ΒΟΗΘΗΤΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΠΗΓΗΣ

Συνήθως το σύστημα συμπληρώνεται από μία βοηθητική πηγή ηλεκτροπαραγωγής για την αντιμετώπιση ανώμαλων καταστάσεων, όπως πρόσκαιρη βλάβη του συστήματος ή παρατεταμένη συννεφιά πάνω από 3 ημέρες .

Το μέγεθος της γεννήτριας εξαρτάται από τις ανάγκες που θέλουμε να ικανοποιήσουμε.

Ενδεικτικά προτείνουμε μια γεννήτρια της τάξεως των 3,5ΚW όπως είναι η HONDA EG5000 με ισχύ συνεχούς λειτουργίας 4500W.

Σε περίπτωση που θέλουμε να  έχουμε υβριδικό σύστημα που εκτός από το να καλύπτει τις απαιτούμενες ηλεκτρικές καταναλώσεις πέρα των ημερών αυτονομίας του ΦΒ συστήματος, να εξασφαλίζει την επαναφορά του εκφορτισμένου συσσωρευτή στην κατάσταση πλήρους φόρτισης, ο υπολογισμός του Η/Ζ γίνεται όπως παρακάτω:

Σημείωση: Σ’αυτή την περίπτωση θα παίρναμε στους υπολογισμούς μας χειρότερο μήνα του χρόνου τον Απρίλιο

Χρόνος φόρτισης συσσωρευτή από το Η/Ζ

tσ=(βεκ*C)/(nσ*Ιφ)

όπου nσ=0,9 βαθμός απόδοσης φορτίου

Ιφ=C/10=2752/10=275,2 A

Άρα tσ=(0,5*2752)/(0,9*275,2)=5 h και 3’

Ηλεκτρική ισχύς Η/Ζ για τη φόρτιση του συσσωρευτή

Pφ=Ιφ*VHZ  (W)

όπου VHZ=1,25VB=1,25*24=30 V απαιτούμενη τάση φόρτισης των μπαταριών 

Άρα Pφ=275,2*30=8,25 ΚW

 Απαιτούμενη συνολική ηλεκτρική ισχύς Η/Ζ

PHZ>=PK+Pφ=3,5+8,25=11,75 ΚW

9.ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΕΣΩΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ

PV-ΡΥΘΜΙΣΤΗΣ ΦΟΡΤΙΣΗΣ

Μεταξύ κάθε ομάδας  φωτοβολταϊκών στοιχείων από τις 5 και του κάθε ρυθμιστή φόρτισης τοποθετούμε έναν διακόπτη φορτίου κυκλώματος συνεχούς τάσης για την ζεύξη ή την απόζευξη του κυκλώματος.

Οι διακόπτες αυτοί χρησιμοποιούνται σαν γενικοί διακόπτες ελέγχου σε φωτοβολταϊκά συστήματα έτσι ώστε αν χρειαστεί να μπορεί να απομονωθεί με ασφάλεια όλο το κύκλωμα συνεχούς τάσης (DC).
Ο διακόπτης φορτίου που θα επιλέξουμε πρέπει να αντέχει το μέγιστο ρεύμα των string, που όπως δείξαμε παραπάνω είναι:

Ιsc(70oC)=4 string*8,98Α=35,92Α

Οπότε επιλέγουμε το διακόπτη φορτίου S800PV-M της ΑΒΒ με ονομαστικό ρεύμα 63Α.

Στη συνέχεια τοποθετούμε δύο απαγωγούς υπερτάσεων, έναν για κάθε καλώδιο, οι οποίοι προστατεύουν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια και τους αντιστροφείς από μεταβατικές υπερτάσεις και στιγμιαία κρουστικά ρεύματα που δημιουργούνται από κεραυνούς και επιπλέον περιορίζουν την τιμή της υπέρτασης σε αποδεκτά επίπεδα για την ομαλή λειτουργία του εξοπλισμού.

Οπότε επιλέγουμε απαγωγέα υπέρτασης OVR PV της ABB με ονομαστική τάση 1000VDC για ονομαστικό ρεύμα μεγαλύτερο από 25Α και μέγιστο ρεύμα παροχεύτευσης 40kA.

ΡΥΘΜΙΣΤΗΣ ΦΟΡΤΙΣΗΣ-ΜΠΑΤΑΡΙΑ

Στο καλώδιο που ενώνει τον ρυθμιστή φόρτισης με την μπαταρία μια πιθανή βλάβη στον αντιστροφέα ή η εμφάνιση ανάστροφων ρευμάτων μπορεί να προκαλέσει υπερφορτίσεις ή βραχυκυκλώματα.
 Γι’αυτό το λόγο τοποθετούμε έναν μικροαυτόματο ο οποίος μπορεί να διακόψει ένα κύκλωμα υπό πλήρες φορτίο.

Επιλέγουμε μικροαυτόματο S280 UC με ονομαστικό ρεύμα 63Α, μονοπολικό

ΡΥΘΜΙΣΤΗΣ ΦΟΡΤΙΣΗΣ-ΑΥΤΟΝΟΜΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ

Μεταξύ του ρυθμιστή φόρτισης και του αυτόνομου μετατροπέα τοποθετούμε μικροαυτόματο με κριτήριο τη μέγιστη ισχύ εξόδου του ρυθμιστή, όπως την δίνει ο κατασκευαστής.
Εδώ δεν μας δίνεται η μέγιστη ισχύ εξόδου του ρυθμιστή αλλά ξέροντας ότι κάθε ρυθμιστής δέχεται 4 πάνελ των 230 W=920 W θα έχουμε Ι=920W/24V=38,3A

Οπότε επιλέγουμε μικροαυτόματο S280 UC με ονομαστικό ρεύμα 63Α.

ΑΥΤΟΝΟΜΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ -ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ

Στο καλώδιο του αντιστροφέα και του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους
(ντηζελογεννήτρια) τοποθετούμε έναν μικροαυτόματο. Για να τον επιλέξουμε υπολογίζουμε το μέγιστο ρεύμα που δίνει η γεννήτρια.

I=13000W/230=56,5A

Καταλήγουμε σε μικροαυτόματο S202-Β63 ΝΑ με ονομαστικό ρεύμα 63Α, ένα πόλο και ουδέτερο.

ΑΥΤΟΝΟΜΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ -ΥΠΟΠΙΝΑΚΑΣ

Μετά τον αντιστροφέα και πριν τον υποπίνακα ασφαλίζουμε το καλώδιο με έναν διακόπτη διαρροής (ρελέ) ο οποίος προστατεύει τους ανθρώπους και τον εξοπλισμό μιας ηλεκτρικής εγκατάστασης από ατυχήματα, όπως ηλεκτροπληξία ή εκδήλωση πυρκαγιάς που οφείλονται στη διαρροή ηλεκτρικού ρεύματος στη γη.
 Για να τον επιλέξουμε υπολογίζουμε το μέγιστο ρεύμα του καλωδίου, από τη μέγιστη ισχύ αιχμής του φορτίου

I=3500W/230V=15,21A

Άρα, επιλέγουμε το μικρότερο διακόπτη διαρροής F202 PV B της ABB με ονομαστικό ρεύμα 25Α και ρεύμα διαρροής 30mA

Άρθρο του καθηγητή Τάσου Αντωνάκη-Ηλεκτρολόγου Μηχανικού ΤΕ-Καθηγητή της 1ης ΕΠΑΣ ΟΑΕΔ Θεσσαλονίκης