Samostalni fotonaponski sistemi

Gde god nema elektrodistributivne mreže ili gde su troškovi priključenja na istu preveliki, samostalni fotonaponski sistemi se mogu koristiti za proizvodnju potrebne električne energije. Ovi sistemi se najčešće koriste u vikendicama, objektima udaljenim od elektrodistributivne mreže, u sistemima za navodnjavanje, za pokretanje pumpi za vodu, brodovima, kamperskim prikolicama i slično. Da su ovi sistemi odličan izbor za vikendice lako je zaključiti i na osnovu cena gde priključak na elektrodistributivnu mrežu košta oko 1000 evra, neki osnovni samostalni sistem za vikendice se može ugraditi za isti novac dok kasnije nemate račun za el. energiju. Nazivaju se jos i stand alone solarni sistemi, baterijski silarni sistemi ili nezavisni solarni sistemi.

Pošto solarni paneli proizvode električnu energiju samo tokom dana, neophodno je skladištiti energiju kako bi se mogla koristiti noću ili tokom oblačnih dana. U solarnim sistemima se koriste specijalne solarne baterije, koje imaju visoku efikasnost pri punjenju kako sa niskim tako i sa visokim naponima. U sistemima se koristi i kontoler napona koji sprečava prepunjavanje baterije takodje postoji i zaštita od dubokog pražnjenja baterije. Usled razlike u proizvodnji električne energije u letnjem i zimskom periodu, samostalni solarni sistemi se ili za nijansu predimenzionišu kako bi se pokrila i minimalna potrebna proizvodnja električne energije tokom zime, ili se sistem u zimskom periodu potpomaže upotrebom dizel agregata.

Solarni paneli će proizvesti električnu energiju koja će na izlazu iz baterija u većini slučajeva dati 12V ili 24V jednosmernog napona (DC). Pošto svi kućni aparati rade na naizmeničnom naponu od 220V, neophodno je koristiti invertor kako bi se omogućio nesmetani rad ovih aparata.

Jedan od najvažnijih zadataka prilikom projektovanja samostalnog fotonaponskog sistema je da se na osnovu predvidjene energetske potrošnje i prosečnog sunčevog zračenja na lokaciji odredi potreban broj solarnih panela i kapacitet solarnih baterija.

Generalno ukoliko planirate da ugradite samostalni fotonaponski sistem treba da obratite paznju na energetsku efikasnost uredjaja koje koristite. Trebalo bi da koristite štedljivu rasvetu, energetski efikasne aparate i da izbegavate upotrebu termičkih uredjaja poput šporeta i biojlera. Ukoliko povećate energetsku efikasnost trebaće Vam manji samostalni fotonaponski sistem. Pročitajte tekst 12 načina da povećate energetsku efikasnost u svom domu pre nego što ugradite solarne panele.

Proračunavanje veličine samostalnog fotonaponskog sistema

Procena prosečne dnevne potrošnje električne energije

Ovo se radi tako što se snaga svakog uredjaja koji koristite pomnoži sa brojem sati koliko radi u toku dana i onda potrošnja svih pojedinačnih uredjaja sabere kako bi se dobila konačna potrošnja. Na poledjini svakog el. uredjaja možete naći nalepnicu na kojoj piše snaga (Power) izražena u W (vatima).

Primer:
Štedljiva sijalica snage 20w x 5 radnih sati tokom dana = 100Wh odnosno 0.1kWh (1kw = 1000W)
Laptop računar snage 100W x 4 radna sata = 400Wh odnosno 0.4kWh
Bojler snage 2kw x 4 radna sata = 8kWh

Dakle u zbiru ovi uredjaji troše 8.5kWh dnevno.

Odredjivanje potrebnog broja solarnih panela

Da bi se odredio broj potrebnih solarnih panela potrebno je imati podatak o sunčevom zračenju na odredjenoj lokaciji, za ovu namenu koriste se specijalizovani softverski paketi mada se okvirne infromacije mogu naći i na internetu. Prosečna količina sunčevog zračenja za Srbiju iznosi 4 kWh/m2/na dan. Da bi se dobila količina proizvedene električne energije potrebno je da ovaj broj pomnozite za snagom solarnog panela (kWp iz specifikacije solarnog panela).

Primer:
Solarni paneli snage 1kW na dan mogu da proizvedu 1kw x 4 kWh/m2/na dan = 4 kWh/na dan

Kako rade invertori

Svi koristite neku vrstu elektronskog gedžete u svom automobilu. Možda slušate MP3 plejer, koristite navigaciju ili igrate prenosive video igrice. Ovi uredjaji se mogu puniti na upaljač od automobila.

Medjutim šta se dešava ukoliko želite više od toga? Možda želite da napravite tost, gledate LCD TV ili možda koristite svoj laptop? Ovi uredjaji uobičajeno rade u kućnim uslovima priključenjem na utičnicu u zidu. Da bi ovi uredjaji radili u vašem automobilu nije dovoljno da nadjete samo odgovarajući adapter, potreban vam je i invertor.

Invertori pretvaraju jednosmernu struju (DC), struju koja se nalazi u akumulatorima, u naizmeničnu struju (AC), vrstu struje kojom se iz elektrodistributivne mreže snadbevaju naši domovi. U samostalnim solarnim sistemima se takodje koriste ovakvi invertori.

Zašto je potrebno jednosmernu struju pretvarati u naizmeničnu?

Solarni paneli proizvode jednosmernu struju i ona se skladišti u solarnim baterijama a da bi bila prikladna za upotrebu u potrebno je da je invertor pretvori u naizmeničnu kako bi se nesmetano mogli koristiti svi kućni uredjaji.

Jednosmerna struja kreće se u kontinuitetu od negativnog priključka na akumulatoru kroz komletno strujno kolo i vraća se na pozitivni priključak na akumulatoru. Kretanje se odvija samo u jednom pravcu, odatle i ime jednosmerna struja. U baterijama je moguće skladištiti samo jednosmernu struju.

Jednosmerna struja je veoma korisna, ali baterije isporučuju relativno nizak jednosmerni napon. Mnogim uredjajima je potrebno više snage nego što baterije mogu da isporuče da bi pravilno radili. Većina kućnih aparata je dizajnirana da radi na 220V naizmeničnog napona. Naizmenična struja, konstantno menja polartet, krećući se u jednom smeru kroz strujno kolo a  onda se okreće i kreće u dugom pravcu. Ovo radi veoma brzo 50 puta u sekundi. Naizmenična struja se dobro ponaša pri velikim naponima, a naizmenični napon se može lakše podići preko transformatora na željeni nivo nego jednosmerni.

Invertor povećava jednosmerni napon, a onda jednosmernu struju prebacuje u naizmeničnu koju potom šalje do potrošača.

Dakle kako nam invertor daje visoki naizmenični napon od niskog jednosmernog napona?

Prvo da vidimo kako alternator proizvodi naizmeničnu struju. U svojoj najjednostavnijoj formi, alternator ima kalem (namotaj) ia rotirajući magnet u blizini. Kada se jedan pol magneta približi kalemu, struja se stvara u kalemu. Ova struja će rasti do maksimuma kako magnet prolazi pored kalema, spuštajući se dole kako se pol magneta odaljava. Kada se suprotan pol magneta približi kalemu, struja koja se indukuje u kalemu će se kretati u suprotnom smeru. Kada se proces u kontinuitetu ponavlja sa konstanstnom rotacijom magneta, stvara se naizmenična struja.

Da vidimo sada kako se povećava napon. Za podizanje napona se koristi transformator. Transformator takodje dozvoljava da se u kalemu indukuje struja.  U slučaju transformatora, promenljivo magnetno polje se stvara kretanjem naizmenične struje kroz drugi kalem. Svaki kalem kroz koji se kreće naizmenična struja proizvešće magnetno polje. Kako se menja smer struje koja prolazi kroz kalem - menja se i polaritet magnetnog polja. Ono što je specifično za transformator je da je napon koji se dobija na sekundarnom kalemu ne mora biti isti kao napon koji je na primarnom kalemu. Ukoliko je sekundarni kalem dvostruko veći (ima dvostruko više namotaja) od primarnog kalema, sekundarni napon će biti dvostruko veći od napona na primarnom kalemu. U principu na sekundaru možemo dobiti bilo koji napon prilagodavanjem veličina kalema.

Ukoliko kroz primarni kalem pustimo jednosmernu struju, struja se neće indukovati na sekundarnom kalumu pošto neće biti promenljivog magnetnog polja. Medjutim, ukoliko podesimo da jednosmerna struja efektivno i brzo menja pravac - onda dobijamo najprostiji invertor. Ovaj invertor će proizvesti naizmeničnu struju sa izlaznim signalom četvrtastog oblika pošto jednosmerna struja iznenada menja pravac kretanja.

Invertori sa čistim sinusom

Ipak nije sve tako jednostavno. Naizmenična struja koja dolazi iz elektrodistributivne mreže ima sinusni signal dok je signal koji dobijamo iz ovog jednostavnog invertora poprilično četvrtast. Neki električni uredjaji nisu tolerantni na ovako četvrtast signal, zato se teži da izlazni signal iz invertora bude što je moguće pibližniji sinusnom signalu. Tako postoji čitav niz invertora sa signalom modifikovanog sinusa koji nije četvrtast ali nije ni pravilnog sinusnog oblika.

Peglanje signala kako bi se dobio sinusni zahteva čitav niz filtera, induktora i kondenzatora. Jeftiniji invertori imaju jednostavnu ili uopšte nemaju filtraciju signala. Naizmenična struja koju oni proizvode ima veoma četvrtast signal, što je uredu ako samo želite da skuvate kafu ali ukoliko koristite složenije elektro uredjaje ovo može biti problem. Za sigurno i nesmetano funkcionisanje svih uredjaja treba vam čist sinusni signal a samim tim i invertor sa boljom filtracijom signala. Naravno invertori koji daju čist sinusni signal su skuplji. Postoje invertori koji proizvode čak i čistiji sinusni signal od samog signala koji dobijamo iz elektrodistributivne mreže.

Snaga invertora

Da bi znali koliko snažan invertor Vam je potreban, neophodno je da znate koje sve uredjaje planirate da povežete na invertor. Na svakom uredjaju imate nalepnicu (obično na poledjini) na kojoj piše koliko W (vati) taj uredjaj troši. Snaga invertora treba da bude veća od zbira snaga svih uredjaja koje priključujete na njega. Recimo, ukoliko na invertor priključite blender od 600W i recimo aparat za kafu od 600W u isto vreme, invertor treba da ima veću snagu od 1200W. Medjutim, ukoliko vi znate da nikada nećete u isto vreme da koristite aparat za kafu i blender, onda je dovoljan i invertor od 600W.

Nažalost stvari nisu bas toliko jednostavne. Uredjaji koji imaju elektromotore, pri pokretanju povlače veću snagu od one koju koriste u normalnom radu. Ova snaga koju povuku pri pokretanju je poznata kao pik (vrh), i ovaj podatak bi takodje trebao da se nalazi na nalepnici uredjaja. Većina invertora takodje ima pik snagu, tako da se treba postarati da pik snaga invertora bude veća od pik snage uredjaja koji planirate da priključite na invertoru.