Baterie słoneczne

Do niedawna baterie słoneczne uważane były w Polsce za drogi proekologiczny gadżet nie posiadający żadnego ekonomicznego uzasadnienia. Z biegiem lat i postępem techniki panele fotowoltaiczne były udoskonalane, ich ceny systematycznie malały a cena energii elektrycznej rosła.
Obecnie baterie słoneczne zyskują coraz więcej zwolenników, ich montaż zaczyna być opłacalny w niektórych sytuacjach a czasem jest jedynym sensownym z punktu widzenia ekonomii rozwiązaniem.
Panele fotowoltaiczne są dziś stosowane w niezależnych domach, do oświetlenia reklam i zasilania terenowych stacji pomiarowych. Coraz więcej osób decyduje się też na montaż baterii słonecznych na działce czy kempingu. Często też baterie słoneczne montowane są na przyczepach kempingowych, jachtach czy też zabierane pod namiot - jako źródło zasilania do telefonów komórkowych i innych urządzeń elektrycznych.

Jak to działa?

Docierające do ziemi promieniowanie słoneczne jest zazwyczaj pochłaniane przez otoczenie. Jeśli foton padnie na roślinę to zazwyczaj w procesie fotosyntezy jest zamieniany na energię w innych sytuacjach gdy pada na przyrodę nieożywioną jest zamieniany na ciepło. Ilość docierającego do ziemi promieniowania słonecznego jest tak duża że gdybyśmy mogli energię z jednej godziny zebrać to starczyło by jej dla całej kuli ziemskiej na rok.

Baterie słoneczne to najprostsza metoda zamiany promieniowania słonecznego na energię elektryczną. W najprostszym ujęciu ogniwo fotowoltaiczne to rodzaj złącza półprzewodnikowego. Padające w obszar złącza promieniowanie słoneczne umożliwia wygenerowanie pary elektron - dziura. Ponieważ obszar złącza posiada wbudowane pole elektryczne para elektron - dziura zostaje rozdzielona. Jeden rodzaj nośników podąży w górny obszar złącza a drugi rodzaj w dolny obszar. Gdy tak zebranym ładunkom pozwolimy na przepływ (na przykład do akumulatora) to otrzymamy prąd elektryczny który będzie zasilał nasz odbiornik. Oczywiście jest to model bardzo uproszczony jednak w ten sposób najłatwiej można zobrazować proces powstawania energii elektrycznej z baterii słonecznej.
Połączone w grupy ogniwa fotowoltaiczne tworzą baterię słoneczną. W zależności od ich ilości i wielkości można uzyskać różne prądy i napięcia baterii słonecznych.

Przykładowe zastosowania i dobór baterii

Najpowszechniejszym zastosowaniem baterii słonecznych jest zasilanie miejsc z ograniczonym dostępem do energii słonecznej. Dlatego też znalazły one swoje zastosowanie:
- w domkach letniskowych,
- na kempingach,
- na biwakach,
- na jachtach,
- na przyczepach kempingowych,
- na pojazdach karawaningowych,
- przy oświetleniu reklam,
- przy oświetleniu przejść dla pieszych,
- do zasilania pompy w oczku wodnym,
- do zasilenia oświetlenia przeszkodowego,
- do zasilania bezprzewodowych kamer przemysłowych,
- i innych

Prawidłowy dobór baterii słonecznych nie może się opierać jedynie na zsumowaniu mocy odbiorników i zakupie panelu słonecznego o takiej mocy.

Odpowiednie napięcie

Większość baterii słonecznych posiada napięcie znamionowe 12V. Panele o większych napięciach występuję zazwyczaj w panelach powyżej 100W. Z punktu widzenia ekonomii i minimalizacji strat najbardziej optymalne będzie zastosowanie odbiorników o napięciu 12V DC (prąd stały). Osoby które potrzebują zasilania 230V AC (prąd zmienny) mogą dołączyć do zestawu fotowoltaicznego przetwornicę prądu 12DC/230AC.

Moc odbiorników

Najlepsze efekty przy zastosowaniu paneli fotowoltaicznych uzyskuje się stosując energooszczędne rozwiązania. Przykładowo do oświetlenia pomieszczeń najlepiej zastosować diodowe żarówki LED. Nie osiągają one jeszcze tak dużych jasności jak standardowe żarówki żarnikowe jednak zużywają znacznie mniej energii (żarówka LED o mocy 3W świeci porównywalnie do 30-35W halogenu). Dlatego zastosowanie kilku żarówek diodowych pozwoli zminimalizować pobór prądu i umożliwi dłuższe korzystanie z energii pobranej ze słońca.
Określenie mocy odbiorników jest kolejnym krokiem który należy wykonać aby prawidłowo dobrać panel słoneczny do naszych potrzeb.

Dobowe zapotrzebowanie

To ile czasu dziennie korzystamy z danego odbiornika znacząco wpływa na wielkość baterii słonecznej którą należy zastosować. Jeśli średnio w ciągu jednego dnia korzystamy przez 4 godziny z trzech żarówek LED (3W każda), dodatkowo korzystamy przez godzinę z komputera przenośnego (70W pobór mocy) i przez 2 godziny słuchamy radia (35W poboru mocy) to w takim przypadku potrzebujemy:
- 3 żarówki x 4 godziny x 3W = 36Wh
- 1 laptop x 1 godzina x 70W = 70Wh
- 1 radio x 2 godziny x 35W = 70Wh
Średnie dobowe zapotrzebowanie = 176 Wh

Dobór zestawu baterii słonecznych - przykłady

3 Żarówki LED

Jeśli założymy że będziemy korzystać tylko z żarówek LED (3 żarówki po 4 godziny dziennie po 3 W każda) to średnie dzienne zużycie będzie wynosić 36 Wh. Jeśli dodatkowo założymy że będziemy korzystać z tej formy oświetlenia przez okres wakacji (od maja do września) to dopiero teraz będziemy mogli określić jaki zestaw baterii będzie dla nas najbardziej odpowiedni.

W tym okresie roku średnie dzienne nasłonecznienie będzie wynosić 7 godzin. Aby móc dziennie zgromadzić energii wystarczającej do zasilenia samych żarówek to naszym wymaganiom powinien sprostać panel o mocy 10W (przy pochyleniu baterii 35^o względem ziemi w kierunku południowym). Aby móc zmagazynować energię z panelu konieczne będzie użycie akumulatora. 36Wh odpowiada 3Ah akumulatorowi. Ze względu na zmienną w Polsce pogodę warto zastosować co najmniej 4 razy większy akumulator - 12Ah - zgromadzona w nim energia pozwoli na korzystanie ze światła żarówek LED prze cztery pochmurne dni. Aby jednak zabezpieczyć akumulator przed zniszczeniem (nadmiernym naładowaniem lub głębokim rozładowaniem) konieczne jest użycie regulatora ładowania.

Tak skompletowany zestaw zapewni man niemal stały dostęp do oświetlenia naszego domku letniskowego przez okres wakacji.

3 żarówki LED, Laptop, Radio

Dobowe zużycie takiego zestawu odbiorników (według wcześniej przytoczonego przykładu) wynosić będzie 176Wh.
Odpowiada to około 15Ah dziennie. Minimalny zestaw akumulatorów wynosić będzie zatem 40Ah.
Minimalna bateria słoneczna spełniająca zadane wymagania będzie musiała dawać 50W mocy.
W zestawie tym oprócz baterii słonecznej, akumulatora i regulatora ładowania konieczna będzie przetwornica (aby móc zasilać laptopa i radio - 230V).
Użycie przetwornicy wymaga zwiększenia naszego zestawu (straty około 10% na przetwarzaniu prądu). Stąd musimy albo zwiększyć nasz zestaw (60W bateria, 50 Ah akumulator, przetwornica i regulator ładowania) albo ograniczyć korzystanie z radia :) - w tym wypadku wcześniej proponowany zestaw będzie wystarczający.

Fontanna w oczku wodnym / sztuczny strumyk

Baterie słoneczne doskonale nadają się do zastosowań sezonowych. Pompy wodne w oczku wodnym lub jako zasilanie sztucznego strumyka używane są zazwyczaj w okresie od wiosny do jesieni. Ich urok najłatwiej dostrzec w słoneczne dni. W związku z tym najodpowiedniejszym zasilaniem do tego typu pomp będzie zestaw baterii słonecznych. Ale jakie baterie dobrać do pomp wodnych?

Najlepiej będzie jeśli użyjemy pompę wymagającą napięcia 12V. Zminimalizujemy straty w układzie i ograniczymy wydatki na zakup zasilania do pompy. Jeśli przykładowo użyjemy pompy 15W to użyty do niej panel słoneczny musi przewyższać ją mocą. Dlaczego? Podana moc panelu słonecznego uzyskiwana jest w momencie prostopadłego padania promieni słonecznych na panel. Dodatkowo moc promieniowania słonecznego musi wynosić 1000/m² - przejrzyste niebo (nie może być "zamglone") aby osiągnąć znamionową moc. Dlatego też w zależności od rodzaju pompy wodnej zalecamy moc baterii słonecznej co najmniej o 20% większą od mocy znamionowej pompy wodnej. Zdarzają się również takie rodzaje pomp które posiadają podwyższony prąd rozruchowy. Należy uwzględnić tą właściwość odpowiedniej wielkości panelem słonecznym.
Jeśli na przykład chcemy zasilić standardową pompę (o niepodwyższonym prądzie rozruchu) działającą pod napięciem 12V o mocy znamionowej 80W to minimalny panel słoneczny powinien posiadać moc około 100W. Jeśli chcemy użyć pompę której pobór podczas rozruchu jest większy od nominalnego należy dobrać odpowiedni akumulator (umożliwiający wygenerowanie odpowiedniej ilości prądu w czasie rozruchu) i regulator ładowania który taki prąd obsłuży lub zastosować baterię słoneczną której moc nominalna będzie co najmniej o 20% większa niż moc pobierana przez pompę w momencie rozruchu.
W przypadku pomp zasilanych napięciem 230V warto sprawdzić czy nie mają one możliwości podpięcia zasilania 12V. W przeciwnym wypadku konieczne będzie użycie przetwornicy napięcia. W związku z tym moc baterii słonecznej będzie musiała być większa od mocy znamionowej pompy o ponad 30%. W takich przypadkach najlepiej jest jednak zastosować system autonomiczny ze zwiększona mocą baterii słonecznej w stosunku do mocy pompy - co najmniej 50% a optymalnie 100%. Użycie w tej sytuacji regulatora ładowania, dużej baterii słonecznej i akumulatora pozwoli na magazynowanie nadmiaru energii w celu późniejszego jej wykorzystania (np po zachodzie słońca) a jednocześnie zminimalizuje częste załączanie i rozłączanie zasilania pompy wodnej.

Jak policzyć jaki zestaw zasili moje żarówki?

Żarówki LED

Najprościej przyjąć że pojedyncza żarówka LED (21 diod SMD na napięcie 12V DC) zużywa około 4W energii elektrycznej na godzinę (inaczej 4 watogodziny). W przypadku innych żarówek może to być 2W (czyli dwie watogodziny) - informacja ta powinna być podana przez producenta. Aby obliczyć ile watogodzin energii uzyskamy z akumulatora o pojemności X wystarczy tą pojemność przemnożyć przez 12 (napięcie akumulatora). W ten sposób uzyskamy orientacyjną wartość ilości energii jaka może zostać zmagazynowana w akumulatorze.
Przykładowo dla akumulatora o pojemności 4 Ah ilość energii jaką możemy uzyskać wynosi (4*12 = ) 48 watogodzin czyli żarówka pobierająca 4 watogodziny będzie świeciła na takim akumulatorze przez 12 godzin (48 / 4 = 12 godzin).
Oczywiści trzeba pamiętać że są to wartości obliczeniowe i rzeczywiste parametry będą nieco niższe (należy uwzględnić straty powstałe na regulatorze, akumulatorze a także fakt że pojemność akumulatora może zostać w 100% wykorzystana tylko w charakterystycznych warunkach - opisanych przez producenta, zazwyczaj regulator ładowania pozwala na wykorzystanie maksymalnie 70% pojemności akumulatora).
Jednak jak oszacować wielkość zestawu baterii słonecznej do zastosowania całorocznego?
W grudniu ilość godzin słonecznych jest bardzo mała. Jest to najgorszy okres roku pod względem uzysków energii z baterii słonecznych. W tym okresie średniomiesięcznie można uzyskać połowę godzinowej wydajności baterii przy całodziennej ekspozycji. W związku z tym przy szacowaniu kosztów inwestycji złożonej z samych baterii słonecznych do działania całorocznego należy brać pod uwagę właśnie najgorszy okres roku.
Jeśli chcemy zasilić nasze 3 żarówki LED tak aby w grudniu świeciły po 3 godziny dziennie to konieczna jest bateria która będzie mogła dostarczyć zimą 36 Wh. Stąd minimalna bateria słoneczna będzie musiała mieć 70W mocy nominalnej. Dodatkowo warto zaznaczyć że wraz ze wzrostem wielkości baterii słonecznej warto tak zwiększyć akumulator by mógł zmagazynować potrzebną energię na więcej niż tydzień. Dlaczego? W okresie od jesieni do wiosny ilość dni pochmurny następujących po sobie znacznie się zwiększa i istnieje dużo większe prawdopodobieństwo że będziemy potrzebować magazynu energii który wystarczy na dwa tygodnie eksploatacji urządzeń bez doładowania z baterii słonecznej. Z drugiej strony przy nadmiernym zwiększaniu akumulatora musimy dodatkowo zwiększyć baterię słoneczną tak aby była w stanie ładować akumulator zimą z prędkością większą od tempra samoistnego rozładowania akumulatora w tym okresie. W związku z tym należy zwiększyć baterię słoneczna o kilkadziesiąt procent ponad planowane zużycie w okresie zimowym (przy jednoczesnym zwększeniu o analogiczna wielkość akumulatora.
Jak łatwo zauważyć stosowanie baterii do systemów całorocznych jako podstawowe źródło zasilania jest w takich sytuacjach dość kłopotliwe i generuje niepotrzebnie koszty. Dlatego zawsze w takich sytuacjach warto rozważyć możliwość zastosowania systemu hybrydowego z dołączoną elektrownią wiatrową (jeśli oczywiści warunki terenowe na to pozwalają). W przeciwnym wypadku inwestycja w panele słoneczne będzie bardziej kosztowna.

Żarówki świetlówkowe

Innym rozwiązaniem umożliwiającym wykorzystanie energii słońca do oświetlenia pomieszczeń jest wykorzystanie świetlówek (żarówek energooszczędnych) zasilanych napięciem 12V DC. Przykładowo żarówka dająca moc światła porównywalną do 60 watowej (670 lm) żarówki żarnikowej pobiera 11W na godzinę pracy (11 watogodzin). Zaletą tego rozwiązania jest światło którego charakterystyka jest powszechnie znana. Dodatkowo warto zaznaczyć że kompaktowe żarówki świetlówkowe niesłusznie postrzegane są jako źródło światła wielokrotnie bardziej energochłonne od żarówek LED. Standardowa żarówka żarnikowa 100W daje około 1200 lm. Popularne na serwisach aukcyjnych żarówki o poborze 2W LED dają przykładowo 125 lm . Jasno z tego wynika że aby osiągnąć 1200 lm z żarówek diodowych, należy zastosować około 10 takich żarówek (pobór 20W) przy zastosowaniu jednej żarówki energooszczędnej na bazie świetlówki o strumieniu świetlnym 1200 lm jej pobór wyniesie około 18-21W.
Teoretyczną przewagą żarówek LED jest ich trwałość (100 000 godzin) co w porównaniu z żywotnością żarówek energooszczędnych (około 8 000 godzin) jest wynikiem doskonałym. Czy żarówki LED okażą się tak trwałe jak sugerują producenci i importerzy okaże się już nie długo.
Warto w tym momencie zaznaczyć że trwałość żarówek LED na pewno będzie zależała od jakości wykonania. Warto zatem inwestować w produkty najwyższej jakości. Najważniejszym aspektem oświetlenia ledowego jest możliwość uzyskania światła silnie ukierunkowanego. Ma to swoje zastosowanie np przy oświetleniu reklam i obiektów architektonicznych. Zastosowanie w tym celu żarówek "dookólnych" czyli typu żarówki energooszczędnej jest z pewnością gorszym rozwiązaniem (ze względu na powstające straty).
Jednak do oświetlenia domowego warto rozważyć użycie żarówek świetlówkowych. Dają one standardowe światło rozproszone po całym pomieszczeniu i jednocześnie nie zużywają znacznie więcej energii od żarówek diodowych.

Dobór baterii słonecznej jeszcze raz.

Aby prawidłowo dobrać baterię słoneczną należy oszacować ilość energii jaka będzie nam potrzebna do naładowania akumulatora z którego zasilimy nasz odbiornik (żarówki LED lub inny odbiornik). Jeśli wiemy że średnio będziemy używać wieczorem 4 żarówek LED po 3 godziny każdej to będziemy potrzebowali baterii słonecznej która dostarczy nam w ciągu dnia ponad 50 wH energii elektrycznej (4W * 4 żarówki *3 godziny = 48 watogodzin).
Z meteorologicznych obliczeń średniego nasłonecznienia w Polsce wynika że bateria o mocy znamionowej Y jest w stanie wyprodukować średnio w ciągu jednego letniego dnia 3,5 * Y energii elektrycznej (przykładowo dla baterii 50W ilość energii która będzie wytworzona - 3,5 * 50 = 175 Wh). Z przytoczonych wcześniej wyników wiadomo że w zimie czynnik ten wyniesie 0,6 * Y. Należy pamiętać że są to wyliczenia czysto teoretyczne. Ilość energii jaką uda się zmagazynować należy pomniejszyć o straty na połączeniach, regulatorze i akumulatorze. Należy przyjąć że maksymalnie 90% wytworzonej energii zostanie zmagazynowane w akumulatorze.

Stąd nasza bateria słoneczna 50W pozwoli nam nie tylko zasilić cztery żarówki LED po 3 godziny dziennie ale także umożliwi nam podłączenie dodatkowego odbiornika takiego jak radio czy przenośny telewizor przez ponad godzinę (zakładając oszczędny pobór tego urządzenia na poziomie 50wH / dzień). Zestaw z baterią słoneczną 50W i czterema żarówkami LED umożliwi nam nie tylko korzystanie ze światła w naszym domku kempingowym czy namiocie ale także pozwoli skorzystać z innych urządzeń zasilanych napięciem 12V. Z kolei ten sam zestaw fotowoltaiczny w okresie zimowym nie da nam takiego samego komfortu. Panel słoneczny 50W w grudniu wyprodukuje około 30 Wh energii. Prz uwzględnieniu dodatkowo mniejszych niż latem prądów powstających w baterii słonecznej służących do ładowania akumulatora ilość energii pozwoli jedynie na korzystanie z samych żaróek LED i to co najwyżej przez godziny dziennie.

Zasilanie do oświetlenia przeszkodowego.

W naszym kraju coraz częściej jest spotykany problem braku zasilania w miejscu przeszkody terenowej lub odcinku remontu drogowego. O ile w przypadku remontów nie jest bardzo uciążliwe częste wymienianie akumulatorów o tyle w przypadku instalacji usytuowanych w trudno dostępnych miejscach staje się to ogromnym problemem.
Bardzo dobrym rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie niezależnych systemów zasilania opartych o panele słoneczne. Podstawowe zestawy wyposażone w zestaw baterii słonecznych, akumulatorów i regulatora ładowania pozwolą na zasilenie mało wymagających instalacji o działaniu sezonowym. Jeśli system ma zasilić oświetlenie przeszkodowe mające duży wpływ na bezpieczeństwo ludzi należy niezwykle rozważnie podejść do jego projektowania. Należy nie tylko zastosować odpowiednio nadmiarową ilość paneli słonecznych i akumulatorów ale także doposażyć zestaw w mini elektrownie wiatrowe. Wybór ten jest podyktowany bardzo niskimi uzyskami energetycznymi jakie dają baterie słoneczne w okresie zimowym. Z kolei elektrownie wiatrowe pracują w tym okresie dużo lepiej niż latem. W tej sytuacji zastosowanie zestawu hybrydowego wyposażonego w baterie słoneczne i elektrownie wiatrowe jest najbardziej optymalnym rozwiązaniem umożliwiającym osiągnięcie koniecznego stopnia bezpieczeństwa oświetlenia przeszkodowego.

Przykładowo do zasilenia oświetlenia nocnego przeszkodowego o poborze 20W / godzinę w zastosowaniu całorocznym należy użyć zestawu 3 baterii słonecznych 180W i co najmniej jednej elektrowni wiatrowej o mocy 400W. Projektowane dobowe zapotrzebowanie takiego zestawu w najgorszym okresie roku wyniesie 320 Wh. Projektowana dobowa produkcja takiego zestawu wyniesie 750 Wh. Uzyskane przewymiarowanie ponad 100% jest dla instalacji odpowiadających za bezpieczeństwo niezbędnym minimum. Oczywiście w zależności od stopnia ważności danego oświetlenia przeszkodowego należy stosować większe przewymiarowania. Ich wielkość można ocenić zależnie od indywidualnych cech danej inwestycji.

Całoroczne zasilenie domku kempingowego.

Podobnie jak w przypadku zasilania do oświetlenia przeszkodowego w przypadku projektowania zasilania całorocznego do domku kempingowego konieczne jest użycie nie tylko panelu słonecznego ale także małej przydomowej elektrowni wiatrowej.
Podstawowy zestaw umożliwiający kilkugodzinne korzystanie z kilku żarówek LED i niewielkich odbiorników typu laptop, mini telewizor, radio, czy podróżna lodówka o małym poborze. Także tutaj instalacja projektowana jest pod konkretne potrzeby klienta.

Podstawowy zestaw będzie się składał z baterii słonecznej SL180 - 24, elektrowni wiatrowej SkyWind 400, zestawu dwóch akumulatorów SBL, HZ lub Victron Energy 100 Ah (minimum) i regulatora ładowania. Dodatkowo jeśli istnieje taka potrzeba do zestawu można dołączyć Inwerter Phoenix 24/350 który umożliwi swobodne korzystanie z napięcia 230V AC (zamiast standardowego napięcia 24V) dla urządzeń o mocy maksymalnej do 350W. Użycie inwertera jest obarczone wygenerowaniem strat na konwersji energii i dużo lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie urządzeń dostosowanych do napięcia bezpośrednio tworzonego w proponowanym zestawie (24 VDC). Urządzenia takie można znaleźć jako wyposażenie do autokarów (instalowane są tam urządzenia 24VDC ze względu na instalację elektryczną jaka występuje w tego typu pojazdach)

Nieograniczone możliwości

Jeśli chcą Państwo samodzielnie wyliczyć ile energii wyprodukuje bateria słoneczna lub cały system solarny to potrzebne informacje znajda Państwo pod adresem:
Kalkulator uzysków energii elektrycznej z systemów solarnych

Ilość możliwych rozwiązań nie kończy się na wyżej wymienionych przykładach. W zależności od rodzaju zapotrzebowania na zasilanie z baterii słonecznych oferujemy wsparcie na etapie projektu i wyceny zestawu. Istnieje możliwość zamontowania baterii słonecznych u klienta. Szczegółowe informacje dostępne drogą mailową lub telefoniczną.
Aktualny cennik.