Domowa elektrownia fotowoltaiczna wspierana przez Raspberry Pi

Omawiany projekt został przygotowany przez Michela Kuenemanna, mieszkającego w pobliżu Strasburga. Celem autora było zbudowanie domowej elektrowni słonecznej, która mogłaby jak najbardziej uniezależnić go od sieci elektrycznej – przynajmniej na okres lata, kiedy to dostępność słońca jest na tyle duża, że ma szanse w pełni zaspokoić potrzeby domu na elektryczność.

W praktyce – jak wynikało z obliczeń autora, przeprowadzonych 2,5 roku temu – system powinien być w stanie dostarczyć 80% energii potrzebnej w ciągu roku, a w tym 100% w czerwcu, lipcu i sierpniu. Autor uwzględnił przy tym, że nadmiar energii z okresu letniego będzie przechowywany na zimę, co wymagało zastosowania bardzo pojemnych akumulatorów. Teoretycznie całość mogłaby działać bez zdalnego panelu sterowania – autonomicznie, bez nadzoru człowieka, ale gdy projektuje się tego typu aplikację i wiele rzeczy ocenia na podstawie luźnych szacunków, możliwość wnikania w szczegóły uzyskanych rezultatów jest bardzo interesująca, a ponadto pozwala na znalezienie ewentualnych niedoskonałości instalacji i jej usprawnienie.

Główne elementy instalacji elektrycznej

Podstawowym elementem zaprojektowanej instalacji są panele słoneczne. Autor wybrał 16 paneli o maksymalnej mocy 4300 W. Napięcie pochodzące z paneli to 120 V, a wybrane przez niego akumulatory są połączone w pakiety przystosowane do napięcia 48 V, przy czym są w stanie pomieścić 460 Ah, dlatego potrzebne było zastosowanie przetwornicy ładującej akumulatory. Napięcie przemienne generowane jest za pomocą inwertera podłączonego do akumulatorów oraz do przełącznika. Przełącznik jest także podłączony do sieci energetycznej i skonstruowany tak, by automatycznie przełączał się pomiędzy tymi dwoma źródłami, ze zwłoką nie większą niż 20 ms. Cała normalna domowa instalacja elektryczna została podłączona do tego przełącznika.

Autor wybrał panele Yingli Panda 270 Wc (model YL270C-30b), z których każdy składa się z 60 ogniw monokrystalicznych. Wymiary tych paneli to 164×99×4 cm, a ich sprawność dochodzi do 17,2%. Choć 17% wydaje się małą liczbą, trzeba mieć na uwadze fakt, że w bardzo słoneczny dzień, natężenie światła padającego na ziemię może – przy optymalnych warunkach – przekładać się na 1 kW/m². Biorąc pod uwagę łączną powierzchnię 16 paneli – tj. niecałe 26 m², teoretycznie łączna uzyskiwana moc w taki dzień mogłaby wynieść ok. 26 kW. W rzeczywistości jednak panele są w stanie dostarczyć maksymalnie tylko 270 W każdy, co i tak jest wartością rzadko osiąganą w trakcie ich działania.

Zastosowana przetwornica stałoprądowa to model Victron Blue Solar System Charger 170/70 MPPT – zautomatyzowana ładowarka o znamionowym napięciu wejściowym 150 V i prądzie wyjściowym 70 A. Urządzenie to jest przystosowane od pracy z ogniwami fotowoltaicznymi, pracującymi w trybie ciągłym. Stale monitoruje napięcie i prąd na ogniwach, śledząc punkt mocy maksymalnej (MPPT – Maximum Power Point Tracking), co pozwala optymalizować przetwarzanie napięcia i uzysk mocy.

Akumulatory pozwalają gromadzić ładunek przede wszystkim pod kątem jego użycia prądu w nocy, ale po części także w okresie jesieni, zimy i wiosny – korzystając danego dnia z nadmiaru z dni poprzednich. Pojemność akumulatorów przekłada się na 10 kWh energii. W praktyce, w domu autora wystarcza to na zaspokojenie potrzeb domu przez jeden cały dzień. Autor wybrał akumulatory Vipiemme 12 V 230 Ah. Łącznie użyto 8 akumulatorów zgrupowanych w dwa banki. Główną wadą tych elementów jest ich masa – ważą około pół tony, a ich żywotność jest szacowana na 7 lat.

Inwerter przetwarzający napięcie stałe na przemienne to model Victron Phoenix 48 V/230 V 5 kVA. Pozwala dostarczać stale 5 kW mocy, a w przypadku większego zapotrzebowania nawet 10 kW, z tym że nie dłużej niż przez 5 minut ciągłej pracy z takim obciążeniem. Dzięki temu umożliwia on zasilanie energią słoneczną nawet takich urządzeń domowych, jak pralki, suszarki, kuchenki i zmywarki. Trzeba jednak mieć na uwadze, że przy obciążeniu 10 kW, prąd pobierany z akumulatorów sięga 200 A.

Istotnym elementem jest przełącznik, który monitoruje stan akumulatorów i przełącza na nie, gdy są w pełni naładowane lub przełącza się na korzystanie z sieci zasilającej, gdy akumulatory zostaną rozładowane. Autor samodzielnie zaprojektował to urządzenie.

System monitorowania

Teoretycznie opisana powyżej instalacja mogłaby tak po prostu działać, ale ponieważ cały system był dosyć kosztowny i operuje na dużych mocach, wprowadzenie monitoringu parametrów pracy instalacji może okazać się opłacalne. Pozwala ostrzegać o przegrzewaniu się elementów, spadku ich sprawności, starzeniu się i o niepożądanych zjawiskach. Monitoring ułatwia również obserwowanie, czy wykorzystywany prąd pochodzi w danej chwili z sieci elektrycznej, czy z ogniw fotowoltaicznych.

Autor postawił sobie ambitne zadanie monitorowania wszystkich napięć i prądów w systemie. Ponieważ poszczególne podzespoły znajdują się w pewnej odległości od siebie, zastosowanie czujników podłączonych do jednej płytki bezpośrednio zbierającej z nich dane raczej nie wchodziło w grę. Zamiast tego zastosowano wiele niezależnych urządzeń monitorujących, komunikujących się ze sobą za pomocą magistrali CAN z szybkością 500 kb/s.

Pierwszy z modułów monitoruje warunki pracy ogniw fotowoltaicznych. Przede wszystkim za pomocą dodatkowego, miniaturowego panelu fotowoltaicznego mierzy stopień naświetlenia paneli oraz ich temperaturę. Autor wprowadził w module też jedno wyjście, które pozwala wpływać na kolor niewielkiej LEDowej lampki, umieszczonej zaraz obok zestawu paneli (pod panelem kontrolnym). Jej kolor zależny jest od tego, czy w danej chwili w domu wykorzystywana jest energia słoneczna, czy pochodząca z sieci elektrycznej.

Drugi moduł monitoruje ogniwa fotowoltaiczne pod kątem ich aktualnych parametrów elektrycznych. 16 paneli zostało połączonych w 4 bloki, a prąd i napięcie z każdego z tych bloków są monitorowane oddzielnie. Ponadto każdy z bloków można odłączyć od instalacji.

Moduł monitoringu akumulatorów wydaje się być najbardziej skomplikowany. Mierzy on napięcia na akumulatorach w czterech punktach, kontroluje prąd przepływający z lub do akumulatorów oraz sprawdza temperaturę ogniw gromadzących ładunek. To właśnie ten układ decyduje, czy prąd w instalacji domowej ma pochodzić z sieci energetycznej czy z ogniw. Reguluje pracę inwertera oraz uruchamia wentylator chłodzący akumulatory, jeśli zajdzie taka potrzeba (komenda do przełącznika jest wysyłana przez magistralę CAN). Włącza także diody LED, informujące w symboliczny sposób o stanie instalacji. Urządzenie to zawiera także moduł Wi-Fi, który służy jako bramka do sieci CAN. Moduł ten opracowano w oparciu o mikrokontroler NXP LPC1769 z rdzeniem Cortex M3, taktowanym zegarem 120 MHz.

Ostatnim elementem systemu monitoringu jest Raspberry Pi, który jednak nie korzysta bezpośrednio z magistrali CAN, ale podłączony jest do domowej, lokalnej sieci ethernetowej przewodem. Do sieci tej podłączony jest też poprzez Wi-Fi, moduł monitoringu akumulatorów. Raspberry Pi aktywnie korzysta z sieci i bramki Wi-Fi – CAN, by pobierać dane z pozostałych elementów systemu.