Uproszczona metoda doboru generatora PV
Polega na wyznaczenie mocy wymaganej modułów PV na podstawie dobowego zapotrzebowania energii i wskaźników charakterystycznych. Moc generatora liczymy według wzoru:
gdzie:
Qd – dobowe zapotrzebowanie energii kWh/dobę
z1 – średnia dzienna liczb godzin słonecznych znormalizowana do warunków STC według tabeli 1
z2 – współczynnik związany z odchyleniem od płaszczyzny poziomej
z3 – współczynnik związany z temperaturą modułu
V = V1xV2xV3 = 0,76 współczynnik uwzględniający spadki napięcia
Tabela 1 Uśrednione wartości współczynników Z1, Z2 i Z3 w poszczególnych miesiącach na terenie Polski
Współczynniki | miesiące | ||||||||||||
I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | ||
Z1 | 0,65 | 1,21 | 2,26 | 3,43 | 4,45 | 4,87 | 4,58 | 4 | 2,93 | 1,68 | 0,87 | 0,48 | |
Z2 | S | 1,57 | 1,5 | 1,19 | 1,05 | 0,94 | 0,9 | 0,91 | 1 | 1,18 | 1,37 | 1,61 | 1,55 |
SW/SE | 1,48 | 1,42 | 1,16 | 0,95 | 0,95 | 0,91 | 0,92 | 1 | 1,16 | 1,31 | 1,51 | 1,46 | |
Z3 | 1 | 1 | 0,98 | 0,96 | 0,93 | 0,9 | 0,88 | 0,88 | 0,9 | 0,94 | 0,97 | 0,99 |
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.
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.
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.
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:
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:
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
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:
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:
Jeżeli w pomieszczeniu z zamocowanymi akumulatorami istnieje wolna przestrzeń V której objętość obliczona ze wzoru:
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:
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:
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]