Menu

Projektowanie systemów off-grid wg Zeszytów dla elektryków Nr 13 "Budowa i eksploatacja systemów PV"

Dobór instalacji na podstawie danych o nasłonecznieniu

 

 Według Zeszytów dla elektryków cz.13, autorstwa Tomasza Sarniaka, moc generatora PV w instalacji off-grid można wyznaczyć z założenia, że całkowita moc generatora nie przekracza dobowego zapotrzebowania na energię w budynku z uwzględnieniem sprawności systemu. Ilość docierającej do paneli energii słonecznej należy przy tym przyjmować dla miesiąca o największym nasłonecznieniu. Dla Polski jest to czerwiec. Szczegółowe dane o nasłonecznieniu dla danej miejscowości, lub miejscowości o przybliżonym położeniu można odczytać z danych Ministerstwa Infrastruktury i Rozwoju w zakładce "Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków". Na stronie jest ponad 60 lokalizacji z terenu całej Polski. Poniżej dane dla stacji Radawiec k. Lublina.  

PV75.h15.jpg

 

Opis poszczególnych kolumn od lewej do prawej jest następujący:

1. Kolejna godzina roku

2. Miesiąc

3. Dzień

4. Godzina dnia

5. DBT - temperatura termometru suchego

6. RH - wilgotność względna %

7. HR - zawartość wilgoci g/kg

8. WS - prędkość wiatru w m/s

9. kierunek wiatru w 36 sektorach 0 - cisza, N - 36, E - 9, S - 18, W - 27, 99 - zmienny (WD)

10. całkowite natężenie promieniowania słonecznego na powierzchnię poziomą (ITH) W/m2

11. bezpośrednie natężenie promieniowania słonecznego na powierzchnię poziomą (IDH) W/m2

12. rozproszone natężenie promieniowania słonecznego na powierzchnię poziomą (ISH) W/m2

13. temperatura promieniowania nieboskłonu (TSKY)

14. całkowite natężenie promieniowania słonecznego na powierzchnię poziomą (kierunek N pochylenie 0º) (N_0)

15-47  całkowite natężenie promieniowania słonecznego na powierzchnie o orientacji N, NE, E, SE, S, SW, W, NW oraz pochyleniu do poziomu 30º, 45º, 60º, 90º (N_30, NE_30, ...)

 

Tabela powyżej pokazuje dane z początku roku, ściślej pierwsze 19 godzin. Dane dla czerwca pokazuje druga tabela. Zwracam uwagę, że w nowej odsłonie parametry nasłonecznienia zostały rozbite dla każdej godziny osobno. Jeśli chcemy uzyskać średnią miesięczną, należy dla danego azymutu i pochylenia kolektora dodać do siebie dane ze wszystkich dni w miesiącu.

PV75.h16.jpg

 

Dla 30 czerwca łączne nasłonecznienie w ciągu całego dnia wynosi (pozycje w czerwonej ramce) 9123Wh/m2. Jest to nasłonecznienie dla kierunku południowego przy nachyleniu 30 stopni.   To oczywiście wartość w skali jednego dnia, która w żaden sposób nie odzwierciedla całego miesiąca. Dla porównania z tego samego zestawienia dzień 1 czerwca.

PV75.h17.jpg

 

Dla tego dnia wielkość nasłonecznienia w ciągu 24 godzin wynosi już tylko  1674,7Wh/m2. Szkoda, że tabela nie jest w formacie Exela, liczenie byłoby banalne. Odczytaną wartość nasłonecznienia (w skali całego miesiąca, czyli suma z 30 dni) należy podstawić do wzoru:

 

PV75.h18.jpg

 

gdzie:

Qd - średnie dzienne zapotrzebowanie na energię w miesiącu o największym nasłonecznieniu w [kWh/d]

Inas - wartość nasłonecznienia dla czerwca (dal całego miesiąca) odczytana z tabeli dla danego azymutu i pochylenia

ηinst- sprawność instalacji, którą można przyjąć w przypadku akumulatorów żelowych czy AGM 65%, litowo-jonowych 80% (uwaga! - do wzoru wpisujemy 0,65; 0,8)

 

Dobór akumulatora

 

Akumulator w systemie autonomicznym ma za zadanie zapewnić ciągłość dostaw energii w ciągu doby, jak i jej zapas związany z niesprzyjającą pogodą (wysokie zachmurzenie). Według autora zapas energii należy przyjmować zależnie od pory roku równy 2-3 dni latem lub 3-5 dni zimą. Dla uniknięcia głębokiego rozładowania akumulatora należy tez przyjmować jego poziom rozładowania nie większy niż 50%. Pojemność akumulatora obliczamy ze wzoru:

 

PV75.h19.jpg

 

gdzie:

Qd - dzienne zapotrzebowanie na energię w budynku w [Wh]

F - współczynnik uwzględniający rezerwę energii 2,5 latem i 4 zimą

U - napięcie akumulatorów (12, 24 lub 48V)

 

W pracy akumulatora i generatora PV można wyróżnić trzy przypadki (wykres poniżej).

Punkt A - pobór energii (obciążenie) w instalacji jest większy niż jej produkcja przez generator PV. Część energii dostarcza w tym wypadku generator a brakująca ilość pobierana jest z baterii akumulatorów. Akumulator jest w tym wypadku rozładowywany.

Punkt B - obciążenie w instalacji pokrywa się z charakterystyka generatora PV. Cała wyprodukowana energia przekazywana jest do instalacji.

Punkt C - obciążenie w instalacji jest mniejsze niż produkcja energii przez generator PV. Nadmiar energii magazynowany jest przez akumulator. Ta opcja jest najbardziej optymalna.                                                                                                          

    W magazynach energii stosowane są akumulatory klasyczne o gęstości elektrolitu 1,24 kg/l lub akumulatory wykonane w technologii VRLA (Vavle Regulated Lead Acid), czyli akumulatory regulowane z zaworem jednokierunkowym umożliwiającym usuwanie nadmiaru wodoru, o gęstości elektrolitu (1,25 – 1,3) kg/l. Akumulatory VRLA produkowane są w dwóch technologiach:
 
AGM, w której elektrolit jest umieszczony w separatorze między płytowym wykonanym z włókna szklanego o dużej porowatości, które eliminuje niebezpieczeństwo wycieku elektrolitu oraz zabezpiecza przez możliwością powstania zwarcia pomiędzy płytami dodatnią i ujemną,

- SLA, w której elektrolit jest zestalony w postaci żelu, stanowiącego tiksotropową odmianę dwutlenku krzemu (SiO2).

Magazyny w których zastosowano akumulatory narażone są na wybuch zgromadzonego wodoru. Mieszanina wodoru i powietrza zapala się w sposób wybuchowy jeśli jej stężenie przekroczy poziom DGW (dolnej granicy wybuchowości). Poniższy rysunek pokazuje zakres dolnej i górnej granicy wybuchowości wodoru. Przy stężeniu przekraczającym 4,1% wodoru w powietrzu do wybuchu wystarczy energia o wartości zaledwie 0,19 mJ. Jest to bardzo mała energia, która może powstać przy iskrzeniu powstającym przy tarciu lub wskutek przepływu ładunku elektrostatycznego

PV75.h21.jpg
Aby zneutralizować niebezpieczeństwo wybuchu magazyny powinny być wyposażone w detektory wodoru. Układy automatyki powinny mieć ponadto ustawione dwa progi wykrywania stężenia wodoru:

10% DGW, przekroczenie którego zostanie zasygnalizowane oraz zostanie uruchomiona wentylacja powodująca zwiększenie szybkości wymian powietrza o 100% w stosunku do warunków normalnych,

30% DGW, przekroczenie którego spowoduje oprócz dalszego działania sygnalizacji akustyczno-dźwiękowej oraz wentylacji, wyłączenie ładowania baterii akumulatorów do chwili ustania zagrożenia.

Podstawowe wymagania w zakresie wentylacji przedziału bateryjnego wynikają bezpośrednio z normy PN-EN 62040-1:2009 „Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 1. Wymagania ogólne i wymagania dotyczące bezpieczeństwa UPS. Aneks M (normatywny). Wentylacja przedziałów bateryjnych”
Przybliżoną wartość przepływu zapotrzebowanego powietrza w ciągu godziny w [m3/h] można obliczyć z poniższego wzoru:

PV75.h22.jpg
 

Gdzie:

v – wymagane rozcieńczenie wodoru (100 – 4)/4 = 24
q – wytworzony wodór: 0,45*10-3 [m3/Ah]
s – współczynnik bezpieczeństwa
Ig – prąd gazowania o wartości:
1 mA – dla baterii „zamkniętych” (z zaworem VRLA) przy zmiennym napięciu
5 mA – dla baterii otwartych przy zmiennym napięciu
8 mA – dla baterii” zamkniętych” (z zaworem VRLA) przy stałym napięciu ładowania
20 mA – dla baterii otwartych przy stałym napięciu ładowania
n – liczba ogniw baterii, [-]
CB – pojemność baterii, w [Ah].
Qp – ilość wymaganego powietrza, w [m3/h]
 

Dla baterii akumulatorów VRLA ilość wymaganego powietrza do wymiany oblicza się ze wzoru:

PV75.h23.jpg

Jeżeli w pomieszczeniu z zamocowanymi akumulatorami istnieje wolna przestrzeń V której objętość obliczona ze wzoru:

PV75.h24.jpg

 

Gdzie:

Vp – objętość pomieszczenia z akumulatorami, w [m3]
Vu objętość, jaką zajmują akumulatory ze stojakami oraz inne wyposażenie pomieszczenia, w [m3]
jest co najmniej 2,5 krotnie większa od wymaganej ilości wymienianego powietrza Qp lub QVRLA odpowiednio, to wystarczające jest zastosowanie wentylacji grawitacyjnej, z umieszczonymi po przeciwnych stronach pomieszczenia z otworami: dolotowym i wylotowym. Powierzchnia tych otworów może być obliczona ze wzoru:

PV75.h25.jpg
 

gdzie: Ap – suma przekrojów otworów zewnętrznych i wewnętrznych, w [cm2 ].

 

   W takim przypadku otwory wentylacyjne należy umieścić na przeciwległych ścianach (jeżeli jest to niemożliwe i otwory wentylacyjne muszą zostać wykonane na tych samych ścianach, to odległość pomiędzy nimi nie może być mniejsza niż 2 m). Ten sam wymóg dotyczy instalowania wentylatorów wyciągowych, których odległość nie może być mniejsza niż 2 m. Podane wymagania mają charakter orientacyjny. Opracowanie projektu wentylacji pomieszczenia bateryjnego jest zagadnieniem wymagającym specjalistycznej wiedzy i powinno być opracowane przez uprawnionego projektanta instalacji sanitarnych. Rola projektanta elektryka ogranicza się do zaprojektowania układu sterowania i zasilania wentylatorów. Zgodnie z wymaganiami Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 roku w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU nr 109/2010, poz. 719) [1] za pomieszczenie zagrożone wybuchem należy uznać pomieszczenie, w którym spodziewany przyrost ciśnienia przekracza wartość 5 kPa. Dotychczasowa analiza zjawisk zachodzących w akumulatorach pozwala wyciągnąć wniosek, że wydzielający się z nich wodór może stwarzać zagrożenie wybuchowe. Ponieważ pomieszczenie z bateriami akumulatorów musi być bezpieczne w eksploatacji, należy zastosować układ wentylacji mechanicznej sterowanej przez układ wykrywania stężenia wodoru.

    Przy stosowaniu klasycznych baterii akumulatorów konieczne jest zastosowanie wentylatora z silnikiem dwubiegowym. Wentylator jest włączony przez cały czas pracy baterii i pracuje na wolnych obrotach gwarantując przewietrzanie pomieszczenia bateryjnego. Przekroczenie stężenia wodoru powyżej 10% DGW spowoduje, że centralka uruchomi sygnalizację świetlną przez rozświecenie diody LED zainstalowanej na panelu operatorskim. Po wykryciu stężenia wodoru przekraczającego 30% DGW, następuje automatyczne przełączenie na wyższe obroty silnika napędzającego wentylator z jednoczesnym wystawieniem sygnału przez automatykę do przerwania ładowania lub rozładowania baterii. Jednocześnie powinna zostać uruchomiona sygnalizacja akustyczna i należy przerwać ładowanie baterii do chwili zneutralizowania powstałego zagrożenia. Stosowanie baterii klasycznych w systemach zasilania gwarantowanego jest niekorzystne, gdyż zbyt silne gazowanie może doprowadzić do przekroczenia stężenia wodoru wynoszącego 30% DGW, co spowoduje wyłączenie systemu zasilania gwarantowanego. Znacznie korzystniejsze jest stosowanie baterii z zaworem VRLA, gdzie gazowanie jest znacznie mniejsze, a tym samym neutralizacja zagrożeń dużo prostsza.

   W przypadku stosowania baterii klasycznych wydzielanie wodoru następuje bez przerwy, dlatego wymagane są środki ostrożności takie same, jakie stosuje się w klasycznych akumulatorowniach. W przypadku stosowania baterii z zaworem VRLA, wodór wydziela się w znacznie mniejszych ilościach i jest wynikiem niepełnej rekombinacji gazów powstającej najczęściej w warunkach zakłóconych. Wskutek wzrostu ciśnienia ponad dopuszczalną wartość, nadmiar wodoru usuwany jest przez zawór bezpieczeństwa na zewnątrz. Wydzielane ilości wodoru są jednak znacznie mniejsze niż w przypadku baterii klasycznych gdzie gazowanie jest przez cały czas pracy baterii (ładowanie i rozładowanie). Często baterie z zaworami VRLA mylnie nazywane są „szczelnymi” lub „hermetycznymi”. W rzeczywistości nie są one ani szczelne, ani hermetyczne, gdyż część gazów powstających w ich wnętrzu po uzyskaniu określonego ciśnienia opuszcza poprzez zawór bezpieczeństwa wnętrze akumulatora. W normalnych, prawidłowych warunkach eksploatacji akumulatory z zaworami VRLA wydzielają nieznaczne ilości wodoru. Jednak w warunkach niewłaściwych lub w warunkach awaryjnych nie można wykluczyć wydobywania się z akumulatorów większej ilości wodoru, przez co w żaden sposób nie można traktować ich jako w pełni bezpiecznych w czasie eksploatacji. Dlatego konieczne jest stosowanie niezbędnych środków bezpieczeństwa, jak na przykład detekcja stężenia wodoru i właściwa wentylacja pomieszczeń, w których zostały one zainstalowane. W pomieszczeniach bateryjnych ważna jest również klimatyzacja – z uwagi na znaczne ilości ciepła wydzielanego przez ładowane lub rozładowywane akumulatory.

   Wzrost lub zmniejszenie temperatury pomieszczenia od wartości 20°C skutkuje odpowiednio zwiększeniem lub zmniejszeniem pojemności baterii. Przy wyższej temperaturze żywotność akumulatora znacznie się skraca. Dla celów praktycznych ilość ciepła wydzielanego podczas rozładowywania akumulatorów można oszacować ze wzoru:

PV75.h26.jpg

 

Gdzie: I – przewidywany maksymalny prąd rozładowania, w [A]

n – liczba gałęzi równoległych pracujących w czasie rozładowania, w [-]

Q – ilość ciepła wydzielanego w czasie t, w [J]

R – rezystancja jednej gałęzi szeregowej akumulatorów (rezystancję dla pojedynczego ogniwa podają producenci baterii w swoich katalogach) , w [-]

T – przewidywany czas rozładowania, w [s] 

 PV75.h20.jpg

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});