Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Własna energia elektryczna - jak zbudować instalację off-grid?

W mojej okolicy wyłączenia „prądu” zdarzają się co najmniej kilka, do kilkunastu razy w roku. Najbardziej uciążliwe są latem oraz zimą. Dłuższy brak energii elektrycznej w lecie zazwyczaj kończy się rozmrożeniem lodówki. W zimie sytuacja jest poważniejsza. Centralne ogrzewanie wymaga stałego zasilania i w zależności od wersji bardzo szybko może dojść do wygaśnięcia paleniska, lub co jeszcze gorsze, do zagotowania czynnika transportującego ciepło (wody w instalacji).
Article Image

Nie dziwi więc fakt instalowania przez użytkowników źródeł rezerwowego zasilania. Opisywana instalacja łączy w sobie cechy rezerwowego źródła zasilania ze sposobem na (niewielkie) oszczędności w zużyciu energii pobieranej z sieci. Dzieje się tak za sprawą uzupełniania zużytej energii ze źródeł odnawialnych, z paneli fotowoltaicznych.

Prezentowana instalacja pracuje w trybie wyspowym (tzw. off-grid) z możliwością przełączenia na sieć energetyczną. Czytelnicy EdW zapewne śledzą rozwój energetyki niekonwencjonalnej, niemniej w tym miejscu warto przybliżyć kilka terminów bezpośrednio związanych z fotowoltaiką. Prąd pozyskany ze Słońca możemy przetwarzać na dwa sposoby. Wyznacznikiem jest tutaj istniejąca sieć energetyczna. Jeśli nasza instalacja nie jest połączona z ogólnokrajową siecią energetyczną, mówimy o instalacji wyspowej (ang. off-grid). Uproszczony schemat instalacji wyspowej pokazany jest na rysunku 1.

Rys.1 Uproszczony schemat instalacji wyspowej

Energia produkowana przez panele fotowoltaiczne jest na bieżąco konsumowana przez odbiorniki, a jej zapas na godziny wieczorne i nocne przechowują akumulatory. Jeśli taką instalację wyposażymy w odpowiedni falownik, wytwarzający napięcie przemienne 230V, to zasilać możemy cały dom. Ogromną zaletą instalacji wyspowej jest pełne uniezależnienie się od sieci energetycznej i przerw w jej funkcjonowaniu. Niestety instalacja taka gromadzi energię w akumulatorach, przez co charakteryzuje się niższą sprawnością i jest kosztowna ze względu na akumulatory, które muszą mieć znaczną pojemność, a niestety tracą swoje parametry w trakcie użytkowania.

Pokazana na rysunku 2 instalacja sieciowa (ang. on-grid) pozbawiona jest akumulatorów i wyprodukowana energia wprowadzana jest bezpośrednio do sieci, skąd też pobierana jest wieczorem lub przy zwiększonej konsumpcji własnej. Instalacja sieciowa na pozór wydaje się dużo lepsza. Sprzyja jej także nowa ustawa o OZE (odnawialne źródła energii), która dzięki odpowiedniej umowie z Zakładem Energetycznym umożliwia odebranie z sieci energii wcześniej wyprodukowanej i przekazanej do sieci.

Niestety do uruchomienia instalacji sieciowej wymagany jest szereg dokumentów i instalacja o odpowiednio skalkulowanej mocy. Poza tym przepis mówi, że instalacja sieciowa musi wyłączyć się automatycznie przy zaniku napięcia w sieci energetycznej, co spowoduje przerwy w zasilaniu, pomimo warunków do produkcji energii!

Rys.2 Instalacja sieciowa (ang. on-grid)

Opisywana instalacja z różnych względów zrealizowana została jako instalacja wyspowa. Wśród wielu dostępnych na rynku kontrolerów do pracy wyspowej należy szukać modelu integrującego w sobie ładowarkę akumulatorów z przetwornicą wytwarzającą napięcie sinusoidalne. Trzeba pamiętać, że przy próbie zasilania urządzeń wyposażonych w silnik indukcyjny ogromnie ważny jest kształt napięcia wytwarzanego przez przetwornicę.

O ile żarówka czy nawet telewizor będą pracować przy zasilaniu dowolnym napięciem przemiennym (prostokątnym – najłatwiejszym do wytworzenia), o tyle lodówka lub pompa C.O. nie uruchomią się przy zasilaniu innym od sinusoidalnego. W silniku indukcyjnym strumień magnetyczny w wirniku podąża za strumieniem stojana. Jeśli stojan zostanie zasilony przemiennym, ale (prawie) prostokątnym napięciem, strumień będzie się zmieniać skokowo, a wirnik po prostu nie nadąży za tak szybkimi zmianami pola. Pierwszym objawem będzie intensywne buczenie, a w skrajnym przypadku może dojść do przegrzania i uszkodzenia silnika.

Co należy wiedzieć o akumulatorach w instalacji off-grid?

W instalacji wyspowej bardzo ważną, kluczową rolę odgrywają akumulatory. Słabo w tej roli sprawdzają się najpopularniejsze samochodowe akumulatory rozruchowe. Jak sama nazwa wskazuje, umożliwiają oddanie dużej ilości energii, ale tylko przez chwilę. Pomimo że akumulatory rozruchowe (jak wszystkie inne) charakteryzowane są dużą pojemnością wyrażaną w Ah, to już po kilku cyklach pobrania znamionowego ładunku dochodzi w nich do uszkodzenia. Podatna na to jest gąbczasta struktura płyt. Ta gąbczasta struktura na wzór kondensatora elektrolitycznego zwiększa efektywny obszar płyt, ale niestety w czasie głębokiego rozładowania dochodzi do wykruszania się porowatej struktury (następuje tzw. opad masy czynnej).

Znając tę przypadłość akumulatorów rozruchowych, producenci oferują wersję przeznaczoną do głębokich rozładowań – tzw. akumulatory deep cycle. Akumulatory tego typu wyposażone są w tzw. wzmocnioną płytę i przekładki redukujące degradację płyt i są dobrą alternatywą dla jeszcze droższych akumulatorów AGM. Jednym z kluczowych obliczeń przy projektowaniu instalacji wyspowej jest określenie minimalnej pojemności akumulatorów. Dla przykładu planujemy z instalacji zasilać oświetlenie (10*10W LED), pompy c.o. (2*40W) oraz sprzęt RTV (120W). Sumarycznie otrzymujemy niewiele ponad 300W.

Przyjrzyjmy się konsumpcji. Pracę oświetlenia oraz RTV szacujemy na 6 godz., co daje 1,32kWh. Natomiast pompy c.o. będą pracować dłużej, w zimie nawet 16 godzin. W sumie dobowe zużycie energii to 2,6kWh. Dla akumulatora o napięciu 12V otrzymujemy zaskakująco dużą pojemność 217Ah (2,6kWh, czyli 2600V*A*h/12V=216,6A*h).

Aby naładować akumulatory o tak dużej pojemności, należy zamontować odpowiednią liczbę paneli fotowoltaicznych (FV). Przyjmując zalecany dla akumulatorów prąd ładowania równy 0,1C, otrzymujemy 22A. Typowy dość duży panel FV ma moc nominalną 250W i dostarcza około 8A prądu. Uwzględniając dzienną i sezonową zmienność nasłonecznienia, optymalne będzie zamontowanie 3 do 4 paneli.

Właśnie ze względu na zmienność nasłonecznienia bateria akumulatorów odpowiednia na sezon zimowy nie zmagazynuje całej energii dostępnej w lecie. Natomiast pojemniejsza bateria dobrana dla sezonu letniego nigdy nie naładuje się do pełna w zimie. Należy więc ustalić priorytety, czy będzie nim zabezpieczenie zasilania w zimie, czy też maksymalne wykorzystanie energii pozyskiwanej przez panele w lecie (w lecie istnieje prawdopodobieństwo, że zgromadzona energia nie zostanie zużyta na bieżąco, co spowoduje konieczność zużycia w jakiś sposób nadwyżki).

Opis układu (500-watowa instalacja wyspowa)

W moim przypadku na wiosnę 2016 roku uruchomiona została 500-watowa instalacja wyspowa, która w 2017r. zmodyfikowana została do 1kWp. Jej podstawowym celem było zapoznanie się z fotowoltaiką oraz zabezpieczenie zasilania w przypadku przerw w dostawie z sieci energetycznej. Na rysunku 3 pokazany jest schemat instalacji, a fotografia tytułowa przedstawia pracujący falownik. Jak można zobaczyć na schemacie, obciążeniem falownika są pompy c.o., lodówka oraz oświetlenie. Pompy i oświetlenie sezonowo „uzupełniają” się z lodówką.

Rys.3 500-watowa instalacja wyspowa (schemat)

W skali roku instalacja dała wymierne oszczędności, ponieważ falownik pracuje w następującym cyklu dziennym: w ciągu dnia dostępna energia z paneli na bieżąco przetwarzana jest na 230V, a z jej nadmiaru ładowane są akumulatory. Po zapadnięciu zmroku odbiorniki 230V zasilane są z energii zgromadzonej w akumulatorach aż do czasu gdy poziom naładowania akumulatorów obniży się do wartości rezerwowej, wtedy dalsze zapotrzebowanie odbiorników zaspokajane jest przełączeniem do sieci energetycznej.

Roczne podsumowanie pracy instalacji off-grid

Rysunek 4 zawiera roczne podsumowanie pracy instalacji. W skrócie; produkcja: 374kWh, zysk netto: 300zł (watomierz ma wpisaną taryfę 80gr/kWh), zagospodarowanie dostępnej energii 33%. To stosunkowo niskie wykorzystanie energii wynika z pracy wyspowej i faktu przechowywania energii w akumulatorach kwasowych o niedużej sprawności oraz nieoptymalnego „dopasowania”. W lecie akumulatory pełne są już przed południem, a jedynym obciążeniem „online” wyspy jest lodówka (średnio zużywa 1kWh/dzień).

Rys.4 500-watowa instalacja wyspowa - roczne podsumowanie pracy

Z pozytywnych informacji należy podkreślić, że (jak pokazuje kolumna „udział prod. foto do zużycia”) instalacja w okresie letnim pokrywała ponad 50% zapotrzebowania na energię. W sumie, w skali niepełnego roku, udało się zaoszczędzić 300zł. Jest to koszt jednego akumulatora 110Ah (używanego, w dobrym stanie). Koszty paneli fotowoltaicznych i inwertera są dużo wyższe, więc amortyzacja jest możliwa dopiero po latach. Dla jednych taki wynik to sukces, dla innych porażka, ale to już należy rozważyć indywidualnie.

Dla mnie to sukces, bowiem co bardzo ważne, przy wyłączeniach, które u nas zdarzają się średnio raz na miesiąc, zasilania nie tracą pompy c.o., lodówka i oświetlenie domu (no i radio, bo żona nie cierpi ciszy :)

Tematyka materiału: panele fotowoltaiczne, falownik, akumulator
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich luty 2019
Udostępnij
Czytelnia kategorie
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
luty 2019
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo