Μέθοδος υπολογισμού παραμέτρων Αυτόνομου Φ/Β Συστήματος

Για να υπολογίσουμε την απαιτούμενα μεγέθη ενός φωτοβολταϊκού συστήματος θα πρέπει να υπολογίσουμε την συνολική ισχύ σε φορτία που θέλουμε να καλύψουμε, τον αριθμό των πάνελ που απαιτούνται αλλά και τον αριθμό των συσσωρευτών που χρειάζονται για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών όταν η ηλιακή ακτινοβολία δεν είναι διαθέσιμη. Ως αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα ορίζεται εκείνο, το οποίο μπορεί να τροφοδοτήσει ένα ηλεκτρικό φορτίο (στο παρόν άρθρο ως φορτίο θα θεωρείται μια κύρια ή δευτερεύουσα κατοικία) αδιάλειπτα, χωρίς την ανάγκη ύπαρξης του συμβατικού ηλεκτρικού δικτύου της Δ.Ε.Η.

Το αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από τα ακόλουθα μέρη:

• Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια, τα οποία μετατρέπουν την προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική υπό τη μορφή συνεχούς (dc) τάσης ρεύματος.

• Τους συσσωρευτές (μπαταρίες) για την αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας. Οι συσσωρευτές είναι απαραίτητοι, επειδή η παραγωγή και η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας δεν είναι σχεδόν ποτέ ταυτοχρονισμένες. Για παράδειγμα, σε μια κατοικία η μεγαλύτερη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας σημειώνεται τις βραδινές ώρες, ενώ η παραγωγή γίνεται προφανώς μόνο κατά τη διάρκεια της ημέρας.

• Το ρυθμιστή φόρτισης των συσσωρευτών από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια.

• Τον αντιστροφέα (inverter), ο οποίος μετατρέπει τη συνεχή (dc) τάση των μπαταριών και των φωτοβολταϊκών πλαισίων σε εναλλασσόμενη τάση με μέτρο 230 V/400 V και συχνότητα 50 Hz.

•Τις καλωδιώσεις και τα μέσα προστασίας του μικρού ηλεκτρικού δικτύου, που προκύπτει από τη διασύνδεση των παραπάνω.

Για κάθε φορτίο θα πρέπει να είναι γνωστή η ισχύς του και η ωριαία κατανάλωση ρεύματος. Στη συνέχεια συμπληρώνονται οι εκτιμώμενες ημερήσιες ώρες λειτουργίας για καλοκαίρι και για χειμώνα. Βέβαια εδώ χρησιμοποιείται ένας μέσος όρος για τις ανάγκες υπολογισμού χειμώνα/καλοκαίρι.

Ο υπολογισμός της καταναλισκόμενης ενέργειας για ένα τυπικό αυτόνομο σύστημα φαίνεται στον ακόλουθο πίνακα. Βέβαια πρέπει να αναφερθεί ότι η μελέτη έγινε με βάση το χειρότερο δυνατό σενάριο, υποθέτοντας δηλ. ότι όλα τα παρακάτω φορτία λειτουργούν ταυτόχρονα, πράγμα που σπάνια συμβαίνει στην πραγματικότητα.

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΑΤΑΝΑΛΙΣΚΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΝΑ ΗΜΕΡΑ	AΡΙΘΜΟΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ	ΙΣΧΥΣ (W)	ΩΡΕΣ /ΗΜΕΡΑ	ΕΝΕΡΓΕΙΑ (Wh)
ΦΩΤΙΣΜΟΣ	5	60	5	1500
ΦΟΥΡΝΟΣ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΩΝ	1	400	0,1	40
ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ	1	150	3	450
ΨΥΓΕΙΟ	1	250	24	6000
ΠΛΥΝΤΗΡΙΟ ΡΟΥΧΩΝ	1	2000	0,5	1000
ΚΛΙΜΑΤΙΣΤΙΚΟ	1	1000	3	3000
Η/Υ	1	300	2	600
ΣΥΝΟΛΟ		4160		12590

Το σύνολο της ισχύος των ταυτόχρονων φορτίων με ένα συντελεστή ασφαλείας πχ. 20% μας δίνει την ισχύ του μετατροπέα (συσκευή μετατροπής συνεχούς τάσης σε εναλλασσόμενη). Οι βασικοί παράμετροι του μετατροπέα τάσης (inverter) είναι αυτοί που φαίνονται στο παρακάτω πίνακα και καθορίζουν τόσο των ακριβές μέγεθος και αριθμό των ηλιακών πάνελ αλλά και την μεταξύ τους συνδεσμολογία.

METATΡΟΠΕΑΣ ΤΑΣΗΣ - INVERTER
ΜΕΓΙΣΤΗ ΤΑΣΗ ΑΝΟΙΧΤΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ	VOC	600 V
MEΓΙΣΤΗ ΣΥΝΕΧΟΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ AC	PAC	13,75 KW
MEΓΙΣΤΟ ΡΕΥΜΑ AC	ISC	33,3 A
ΕΥΡΟΣ ΤΑΣΗΣ DC	VMPP	340<V<480

Στη συνέχεια υπολογίζουμε την συνολική Ισχύ του Φ/Β Συστήματος που απαιτείται για την κάλυψη του παραπάνω φορτίου

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΙΣΧΥΟΣ Φ/Β ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ
ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (KWh)	12,59
ΑΡΙΘΜΟΣ ΗΜΕΡΩΝ ΑΥΤΟΝΟΜΙΑΣ	3
ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ ΠΑΝΕΛ (ΚW)	13,55
ΜΕΣΗ ΙΣΧΥΣ ενός ΠΑΝΕΛ (Watt)	180
ΑΡΙΘΜΟΣ ΠΑΝΕΛ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ	75

Επομένως θα χρειαστούμε 75 πάνελ (Φ/Β πλαίσια) με σκοπό να καλύψουμε όλο το απαιτούμενο φορτίο. Τέλος υπολογίζουμε την συνολική χωρητικότητα των μπαταριών βάσει του παρακάτω πίνακα. Τα επιμέρους στοιχεία των συσσωρευτών όπως η τάση των συσσωρευτών που θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν καθώς και το βάθος εκφόρτισης τους (καθορίζει ισχυρά το χρόνο ζωής τους) λαμβάνονται υπόψιν. Επίσης η τάση επηρεάζει πέρα από τον τύπο της μπαταρίας τα πάνελ που θα χρησιμοποιηθούν, τον τρόπο σύνδεσής τους και το ρυθμιστή φόρτισης. 

Επίσης θα πρέπει να οριστεί από τον χρήστη ο αριθμός των ημερών αυτονομίας που θα θέλει από το σύστημά του (νύχτα και ημέρες συννεφιάς). Το βάθος εκφόρτισης ορίζει πόσο βαθιά θα είναι η χρήση της ενέργειας της μπαταρίας. Ο αριθμός των εκφορτίσεων επί το βάθος εκφόρτισης είναι σταθερός και κατά συνέπεια όσο αυξάνεται το βάθος εκφόρτισης τόσο μειώνεται ο χρόνος ζωής της μπαταρίας.

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ
ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΕ KWh	12,59
ΑΡΙΘΜΟΣ ΗΜΕΡΩΝ ΑΥΤΟΝΟΜΙΑΣ	3
ΒΑΘΟΣ ΕΚΦΟΡΤΙΣΗΣ	0,6
ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΗ ΤΑΣΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗ	24
ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ (Ah)	881,10
ΜΕΣΗ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗ (Ah)	180
ΑΡΙΘΜΟΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ (ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ)	5

Δεν έχει αναφερθεί η συνδεσμολογία που απαιτείται για τη σύνδεση των πάνελ και των συσσωρευτών καθώς αυτό γίνεται κατόπιν μελέτης από επιβλέποντα μηχανικό. Όλα αυτά απαιτούν επιπλέον υπολογισμούς. Ο σκοπός του παραπάνω άρθρου σκοπεύει στη μελέτη των φορτίων και του μεγέθους του Φ/Β Συστήματος ενός αυτόνομου συστήματος στην περίπτωση που δεν υπάρχει ηλιοφάνεια για τρεις διαδοχικές ημέρες. Σε περίπτωση που μια παράμετρος από τους παραπάνω πίνακες αλλάξει αλλάζουν και οι υπολογιζόμενες μετρήσεις.

Ο βαθμός απόδοσης των φωτοβολταϊκών μονάδων επιδρά καταλυτικά πάνω στο ποσοστό απόδοσης της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης. Όσο ψηλότερος ο βαθμός απόδοσης των φωτοβολταϊκών μονάδων, τόσο υψηλότερη η τιμή του ποσοστού απόδοσης (όπως πχ. υψηλή πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας στο σημείο τοποθέτησης), τότε η μονάδα αυτή θα δουλέψει με μεγάλη αποδοτικότητα.

Η ισχύς και η αποδοτικότητα μίας ηλιακής κυψέλης εξαρτάται μεταξύ άλλων και από τη θερμοκρασία της φωτοβολταϊκής μονάδας. Μία φωτοβολταϊκή μονάδα είναι ιδιαίτερα αποδοτική σε χαμηλές θερμοκρασίες. Για παράδειγμα, σε περίπτωση συννεφιάς την χειμερινή περίοδο η φωτοβολταϊκή μονάδα είναι κρύα.Επιπλέον ρόλο παίζει η απόδοση του μετατροπέα. Εάν ο μετατροπέας που είναι συνδεδεμένος στην φωτοβολταϊκή σας εγκατάσταση έχει υψηλό βαθμό απόδοσης, τότε αυτό μπορεί να επιφέρει υψηλές τιμές ποσοστού απόδοσης. Οι μετατροπείς με βαθμό απόδοσης πάνω από 90% καθιστούν δυνατή την τιμή ποσοστού απόδοσης της συνολικής εγκατάστασης πάνω από 80%.

Επίσης υπάρχουν διάφορα είδη ηλιακών κυψελών για τις φωτοβολταϊκές μονάδες. Συνήθως χρησιμοποιούνται τα τρία παρακάτω είδη ηλιακών κυψελών: μονοκρυσταλλικές κυψέλες σιλικόνης, πολυκρυσταλλικές κυψέλες σιλικόνης και κυψέλες λεπτής μεμβράνης. Εάν η συσκευή μέτρησης που έχει τοποθετηθεί στη φωτοβολταϊκή σας εγκατάσταση χρησιμοποιεί διαφορετική τεχνολογία ηλιακών κυψελών από ότι οι φωτοβολταϊκές σας μονάδες, τότε ενδέχεται να εμφανιστούν αποκλίσεις στον υπολογισμό του ποσοστού απόδοσης.

Τέλος θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν ο υποβιβασμός των ηλιακών κυψελών λόγω παλαίωσης τους προκαλεί με το πέρασμα των χρόνων χαμηλές τιμές ποσοστού απόδοσης. Οι μονοκρυσταλλικές και πολυκρυσταλλικές ηλιακές κυψέλες παλαιώνουν μέχρι και 20% μέσα σε 20 χρόνια.