W artykule zaprezentowany został testowy system fotowoltaiczny o mocy 1 kW zbudowany w Instytucie Elektrotechniki we Wrocławiu, składający się z baterii modułów fotowoltaicznych, żelowych akumulatorów oraz dedykowanych układów elektronicznych gwarantujących nieprzerwane działanie podłączonych odbiorników. Do połączeń elektrycznych w omawianym układzie zastosowano przewód z serii Ölflex Solar XL multi firmy Lapp Kabel.

Rozwój cywilizacji związany jest ściśle z konsumpcją energii. Rozwój miast, dążenie do poprawy warunków pracy oraz życia mieszkańców powodują ciągły wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną. W nowoczesnych metropoliach ograniczenie konsumpcji energii, przy jednoczesnym utrzymywaniu wysokiego poziomu życia, wiąże się z nieustannym podnoszeniem sprawności energetycznej urządzeń elektrycznych, np. stosowaniem urządzeń klimatyzacyjnych wyposażonych w układ płynnej regulacji mocy czy wykorzystaniem świetlówek energooszczędnych lub żarówek diodowych. W Polsce głównym źródłem energii elektrycznej, do czasu rozwoju energetyki jądrowej, z pewnością pozostanie węgiel. Pozyskiwanie i spalanie tego paliwa wiąże się niestety z degradacją środowiska naturalnego. Przyjęte założenia Rządu w sprawie „Polityki energetycznej Polski do 2030” [1] wymuszają zwiększenie udziału źródeł odnawialnych w wytwarzaniu energii do 15% w roku 2020. Jak podaje [2] w 2007 roku udział ten wynosił 7,1%.
Głównym problemem produkcji energii ze źródeł odnawialnych jest jej nierównomierność dobowa. Dlatego wymagane jest prowadzenie prac związanych z akumulacją energii oraz efektywnym jej odzyskaniem z „akumulatora energii”. Stąd wiele prac związanych jest z tematyką ogniw paliwowych [3], produkcją i przechowywaniem wodoru.

Rys. 1. Dobowy przebieg zmian natężenia promieniowania słonecznego w różnych miesiącach

Rys. 2. Schemat systemu fotowoltaicznego

Energia słoneczna jest podstawowym źródłem energii odnawialnej dla ziemi, jednak jej rozkład jest nierównomierny i zależy ściśle od szerokości geograficznej oraz warunków pogodowych. W Polsce rocznie na płaszczyznę poziomą pada około 1250 kWh/m² energii. Na rysunku 1 zamieszczono dobowy przebieg zmian natężenia promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię poziomą dla wybranych dni w miesiącach styczeń, kwiecień, lipiec, październik. Pomiary wykonane zostały w warunkach klimatycznych Wrocławia. Maksymalne natężenie zanotowane w lipcu wynosi około 750 W/m². Istnieje więc znaczna nierównomierność ilości energii słonecznej dobowa oraz miesięczna (lipiec-styczeń).

Urządzeniami, które umożliwiają pozyskanie w sposób bezpośredni energii słońca są kolektory słoneczne oraz fotoogniwa. W kolektorach słonecznych energia promieniowania zamieniana jest na ciepło. Może ono być wykorzystane do podgrzewania wody sanitarnej, wody w basenach, powietrza np. w suszarnictwie, do produkcji energii elektrycznej w układach ORC [5] lub produkcji chłodu z wykorzystaniem urządzeń absorpcyjnych [6]. Fotoogniwa wykorzystują zjawisko fotoelektryczne do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na prąd elektryczny. Energia ta jest następnie przesyłana pośrednio do odbiorników bądź magazynowana np. w akumulatorach.

Rys. 3. Widok paneli fotowoltaicznych na dachu budynku oraz widok układu regulacyjnego

System fotowoltaiczny

W Instytucie Elektrotechniki zbudowany został testowy system fotowoltaiczny o mocy 1 kW. Układ składa się z ośmiu paneli o mocy 140 W każdy. Wykorzystano monokrystaliczne krzemowe ogniwa słoneczne. W tabeli 1 przedstawiono podstawowe parametry techniczne badanego panelu.
Oprócz baterii modułów fotowoltaicznych w skład systemu wchodzą również żelowe akumulatory o łącznej pojemności 800 Ah oraz dedykowane układy elektroniczne gwarantujące nieprzerwane działanie podłączonych odbiorników. Na rysunku 2 pokazano schemat układu fotowoltaicznego obrazujący działanie całego systemu: regulator ładowania [2], którego zadaniem jest monitorowanie i zarządzanie wyprodukowaną energią, wykorzystuje energię ogniw fotowoltaicznych do ładowania akumulatorów bądź zasilania odbiorników 48 V. Przetwornica DC/AC (inwerter) pobierając zmagazynowaną energię zasila zewnętrzne układy lub doładowuje akumulatory w razie zbyt małego natężenia lub braku promieniowania słonecznego. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu zdalnego kontrolera, który wykorzystując dane dotyczące stanu naładowania akumulatorów, załącza ładowanie bądź przekazuje nadwyżkę energii do dodatkowych odbiorników.
Typowe parametry elektryczne systemu fotowoltaicznego zebrano w tabeli 2.

Połączenia elektryczne – przewód Ölflex Solar XL multi firmy Lapp Kabel

Do połączeń elektrycznych w omawianym układzie zastosowano przewód z serii Ölflex Solar XL multi firmy Lapp Kabel. Przewody te mogą być stosowane do indywidualnych połączeń pomiędzy ogniwami słonecznymi oraz jako przedłużacze pomiędzy poszczególnymi panelami. Stosowane są w niemal każdych warunkach klimatycznych. Przewody posiadają atest typu TUV opierający się na jednej z najnowszych specyfikacji 2 PfG 1169. Aprobata UL umożliwia użycie przewodu do podłączania systemów fotoelektrycznych w Ameryce Północnej (zgodnie z kodeksem NEC – National Electrical Code w Ameryce Północnej do instalacji fotoelektrycznych dopuszczone są wyłącznie przewody posiadające atest do stosowania na zewnątrz). Przewody Ölflex Solar XL multi posiadają liczne badania TUV i UL zapewniające dodatkowe bezpieczeństwo. Najważniejsze cechy przewodu to:
• odporność na promieniowanie UV i ozon,
• wysoka temperatura zwarcia,
• budowa z ocynkowanych cienkich drucików miedzianych,
• odporność na ścieranie,
• nierozprzestrzenianie ognia, ani toksycznych gazów w czasie pożaru,
• odporność na hydrolizę w gorącej wodzie (kałuże na dachach),
• aprobaty UL i CSA.
Na rysunku 4 przedstawiono widok przewodów oraz wtyczki połączeniowej.

Rys. 4. Widok przewodów elektrycznych i wtyczki połączeniowej

Wyniki pomiarów

Na rysunku 5 przedstawiono porównanie ilości energii słonecznej padającej na powierzchnię poziomą w stosunku do ilości energii produkowanej przez fotoogniwo. Dane pomiarowe z 5 października 2009 roku pokazują, że efektywna konwersja energii promieniowania słonecznego miała miejsce w godzinach od 07:07 do 18:02 Na podstawie wartości natężeń prądów oraz napięć modułowych, jak również ilości padającego promieniowania elektromagnetycznego wykonuje się charakterystykę modułów. Dzięki temu, przykładowo, wyznaczono minimalną wartość promieniowania, przy której szeregowo-równolegle podłączone panele osiągają nominalną wartość napięcia 48 V.
Nierównomierność prądu ładowania (I_mod) jest spowodowana przez częściowe zachmurzenie występujące w czasie pomiarów. Rysunek 6 prezentuje dane dotyczące ładowania akumulatorów w ciągu dnia, ich częściowego rozładowania w początkowych godzinach nocnych oraz ich okresowe doładowywanie ze źródła sieciowego w celu podtrzymania pracy podłączonych odbiorników.

Rys. 5. Porównanie ilości energii słonecznej padającej na powierzchnię poziomów w stosunku do ilości energii produkowanej przez fotoogniwo W/m2

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że maksymalna sprawność badanego układu, dla danych warunków atmosferycznych wynosi około 16%. Wartość ta zależy również od ilości energii pobieranej przez odbiorniki.

Rys. 6. Przebiegi rozpływu energii (prądu) w układzie fotowoltaicznym: prąd modułowy (na górze) oraz wypadkowy prąd akumulatorów z okresowym doładowaniem z sieci w godzinach nocnych po nadmiernym rozładowaniu akumulatorów

Dobór wielkości magazynu energii (akumulatorów) należy przeprowadzać indywidualnie w zależności od mocy odbiorników. Należy na to zwrócić szczególną uwagę w przypadku układów autonomicznych.

dr inż. Wojciech Mazurek
Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa, Politechnika Wrocławska
Instytut Elektrotechniki
Oddział Technologii
i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu
mgr inż. Marek Malinowski
Instytut Elektrotechniki
Oddział Technologii
i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu
mgr inż. Henryk Pałys
Lapp Kabel

Literatura:
[1] Polityka energetyczna Polski do 2030r., Uchwała Rządu RP z dnia 10.11.2009 r.
[2] Grażyna Berent – Kowalska i inni, Energia ze źródeł odnawialnych w 2008 r, Wyd. GUS, W-wa 2009;
[3] Piotr Bujło, Andrzej Sikora, Grzegorz Paściak, Jacek Chmielowiec, Energy flow monitoring unit for Hy-IEL hybrid (PEM fuel cellsupercapacitor) electric scooter, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 3/2010
[4] http://pl.wikipedia.org
[5] Bryszewska-Mazurek Anna, Mazurek Wojciech, Świeboda Tymoteusz: Small Solar-Powered ORC System. Polish Journal of Environmental Studies. 2008, vol. 17, nr 3A, s. 91-94, 6 rys., bibliogr. 13 poz.
[6] Bryszewska-Mazurek Anna, Mazurek Wojciech, Kuciel Eugeniusz*: Solar powered absorption refrigerator for air-conditioning system. Polish Journal of Environmental Studies. 2008, vol. 17, nr 3A, s. 86-90, 4 rys., 1 tab., bibliogr. 15 poz.