Ηλιακή απόδοση έναντι της χωρητικότητας της μπαταρίας

Χρόνος ανάγνωσης 4 λεπτά

Πόση ηλιακή ενέργεια χρειάζεστε με ποια χωρητικότητα μπαταρίας για να καλύψετε τις ανάγκες σας; Το ερώτημα αυτό τίθεται για ορισμένους ανθρώπους που είτε θέλουν απλώς να είναι αυτάρκεις στο τροχόσπιτό τους είτε θέλουν να δημιουργήσουν ένα σύστημα εκτός δικτύου για να είναι ανεξάρτητοι από το (ενδεχομένως ανύπαρκτο) δημόσιο δίκτυο ηλεκτροδότησης σε απομακρυσμένες περιοχές.

Τώρα, βέβαια, μπορείτε να σχεδιάσετε μια τεράστια χωρητικότητα μπαταρίας, αλλά ο χώρος είναι περιορισμένος, ειδικά στο σενάριο κινητών εφαρμογών, και η πιθανή ισχύς των φωτοβολταϊκών μονάδων περιορίζεται σε περίπου 1.200 ... 1.725 Wp, υποθέτοντας 2 ... 3 μονάδες με 575 Wp. Και το βάρος σε σχέση με τον αριθμό των μπαταριών δεν είναι -δυστυχώς- επίσης αμελητέο, εκτός αν διαθέτετε όχημα με μικτό βάρος άνω των 7,5 τόνων και την απαραίτητη άδεια οδήγησης.

Από αυτή την άποψη, είναι επομένως σημαντικό να ελαχιστοποιήσετε την κατανάλωση, αν θέλετε πραγματικά να είστε αυτάρκεις. Πόση ώρα όμως λάμπει ο ήλιος τις αντίστοιχες ώρες της ημέρας και του μήνα, στις διάφορες γεωγραφικές τοποθεσίες, και ποιες αποδόσεις προκύπτουν από τη μέση στατιστικά διάρκεια της ηλιοφάνειας; Μπορούν οι μπαταρίες να επαναφορτιστούν ανά πάσα στιγμή;

Τεχνολογία υψηλής τάσης έναντι τεχνολογίας χαμηλής τάσης

Οι μπαταρίες 12 V είναι γενικά γνωστές. Οι 24 V είναι εγκατεστημένες σε φορτηγά. Οι 48 V βρίσκονται σε αυτοκινούμενα τροχόσπιτα, σκάφη και γιοτ. Όλες αυτές είναι τεχνολογίες χαμηλής τάσης.

Τα συστήματα υψηλής τάσης λειτουργούν με τάσεις άνω των 60 V DC, αλλά συνήθως μεταξύ 100 και 200 V DC(!).

Γιατί αυτές οι διαφορές; Αυτό γίνεται γρήγορα σαφές όταν εξετάσετε τα ρεύματα που ρέουν: Με λειτουργία μετατροπέα και ονομαστική ισχύ AC 5.000 VA, οι μπαταρίες 12 V θα αντλούσαν ένα επιβλητικό 400 A, το οποίο είναι 62 mm² απαιτείται παχύ και επομένως βαρύ καλώδιο, μόνο 4 mm όταν χρησιμοποιούνται μπαταρίες 48 V και 104 A²στα 200 V αυτό εξακολουθεί να οδηγεί σε 25 A με διατομή καλωδίου μόλις 0,25 mm².

Ωστόσο, τα σχετικά λεπτά καλώδια δεν πρέπει να οδηγούν σε απροσεξία κατά την αντιμετώπιση υψηλών τάσεων συνεχούς ρεύματος: όλα τα συστήματα που μεταφέρουν τάσεις συνεχούς ρεύματος μεγαλύτερες από 60 V πρέπει -ΑΠΟΚΛΕΙΣΤΙΚΑ- να εγκαθίστανται και να συντηρούνται από εκπαιδευμένους ειδικούς!

Επομένως, τα δεδομένα του μετατροπέα που θα χρησιμοποιηθεί στην πλευρά εισόδου καθορίζουν τη διαμόρφωση της μπαταρίας. Όσο υψηλότερη είναι η τάση εισόδου, π.χ. 48 V αντί για 12 V, τόσο χαμηλότερη είναι η τιμή.

Ένας μετατροπέας 24 V DC με 5 kVA κοστίζει 1.500 ευρώ, ενώ η έκδοση 48 V κοστίζει περίπου 700 ευρώ.

Στην έκδοση υψηλής τάσης, ένας τριφασικός αντιστροφέας 5 kW με είσοδο 150 V DC κοστίζει περίπου 1.200 ευρώ, ενώ ένας αντιστροφέας 8 kW με 180 V DC κοστίζει περίπου 1.400 ευρώ.

Επομένως, η έκδοση υψηλής τάσης είναι σίγουρα πιο οικονομική για σταθερή χρήση.

Σχετικότητα φόρτισης στην κινητή χρήση

Τώρα ένα αυτοκινούμενο τροχόσπιτο δεν είναι μόνο σταθμευμένο, αλλά και οδηγούμενο. Αυτό σημαίνει ότι οι μπαταρίες φορτίζονται με ηλεκτρική ενέργεια από τον εναλλάκτη μέσω του ενισχυτή φόρτισης. Φυσικά, αυτό είναι δύσκολο να ενσωματωθεί σε έναν υπολογισμό, καθώς οι χρόνοι οδήγησης δύσκολα μπορούν να καταγραφούν στατιστικά και επομένως δεν μπορούν να συμπεριληφθούν στον υπολογισμό. Αλλά είναι καλό να γνωρίζετε ότι ...

Θα έχετε επίσης την ευκαιρία να χρησιμοποιείτε κατά διαστήματα τη σύνδεση ρεύματος ξηράς για να φορτίζετε τις μπαταρίες.

Υπολογίσιμη συνοχή στο σταθερό πεδίο

Υπολογίζεται στο βαθμό που είναι πλέον διαθέσιμα επαρκή στατιστικά στοιχεία παγκοσμίως, τα οποία, λαμβάνοντας υπόψη όλους τους σχετικούς παράγοντες, παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τις αναμενόμενες ηλιακές αποδόσεις.

Η εμπειρία δείχνει ότι η θεωρία και η πράξη διαφέρουν παρά τις στατιστικές, αλλά είναι χρήσιμο να έχετε μια ιδέα για το πού βρίσκεστε στο σχεδιασμό σας αν έχετε χώρο x και χωρητικότητα μπαταρίας y στη θέση z.

Σε αυτό το σημείο το διεθνές διαδικτυακό εργαλείο PVGIS ( PhotoVoltaic Geographical Information System), το οποίο αναπτύχθηκε από το Ευρωπαϊκή ΕπιτροπήΚοινό Κέντρο Ερευνών, Μονάδα ενεργειακής απόδοσης και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, via E. Fermi 2749, TP 450, I-21027 Ispra (VA).

Το Τεκμηρίωση του διαδικτυακού εργαλείου, το οποίο είναι επίσης διαισθητικό στη χρήση, είναι πολύ περιεκτικό και καλύπτει όλες τις ερωτήσεις, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που αφορούν την κατανόηση και την ονοματολογία.

Υποθέσεις κατασκευαστή

Οι κατασκευαστές μπαταριών ή συστημάτων μπαταριών επιθυμούν να παρουσιάζουν τα συστήματά τους με ευνοϊκό τρόπο και, ως εκ τούτου, παρέχουν στους υποψήφιους πελάτες τους κατά προσέγγιση συγκριτικά στοιχεία για να τους δώσουν μια ιδέα της αποθηκευτικής ικανότητας. Για παράδειγμα, η δήλωση: "Η μονάδα αποθήκευσης 10 kW είναι κατάλληλη για ένα νοικοκυριό τεσσάρων ατόμων, συμπεριλαμβανομένης της λειτουργίας μιας αντλίας θερμότητας και ενός ηλεκτρικού οχήματος.

Η δήλωση αυτή καθεαυτή είναι μάλιστα βαθιά στοιβαγμένη, διότι η ετήσια κατανάλωση ενός τέτοιου νοικοκυριού δίνεται από τους προμηθευτές ηλεκτρικής ενέργειας ως μέσος όρος περίπου 5 ... 7 kW ετησίως.

Μόνο το γεγονός ότι η αποθηκευμένη και συνεπώς διαθέσιμη ενέργεια πρέπει επίσης να αναπληρώνεται, μπορεί να βάλει εμπόδια σε αυτή τη θετική υπόθεση: ο ήλιος φυσικά λάμπει μόνο για ένα κλάσμα του καλοκαιρινού χρόνου το χειμώνα, πράγμα που σημαίνει ότι η απόδοση δεν πλησιάζει σε καμία περίπτωση την κατανάλωση.

Ο πειραματισμός με διαφορετικές παραμέτρους στο προαναφερθέν εργαλείο PVGIS, το οποίο δείχνει την επίδραση της αλλαγής διαφορετικών παραμέτρων για μια υποτιθέμενη τοποθεσία ως παράδειγμα, παρέχει λίγη περισσότερη σαφήνεια.

Παραδείγματα διαμορφώσεων και τα αποτελέσματά τους

Η γεωγραφική θέση για όλα τα ακόλουθα παραδείγματα είναι Düsseldorf-Volmerswerth με συντεταγμένες (WGS84) 51.188 (N), 6.749 (E).

Χρήση κινητών τηλεφώνων

Λόγω του περιορισμένου διαθέσιμου χώρου για τις φωτοβολταϊκές μονάδες, θεωρείται ότι χρησιμοποιούνται δύο μονάδες 575 Wp. Η χωρητικότητα της μπαταρίας χρησιμεύει ως μεταβλητή, η οποία επιτρέπει μεγαλύτερες περιόδους χαμηλής ηλιακής ακτινοβολίας με την αύξηση του μεγέθους, αλλά απαιτεί επίσης μεγαλύτερες περιόδους ηλιοφάνειας για την ολοκλήρωση ενός πλήρους κύκλου φόρτισης.

Η - μόνιμη - ελάχιστη δυνατή κατανάλωση θεωρείται σταθερή τιμή που πρέπει να δίνεται. Υπόβαθρο: κάθε καταναλωτής που ΠΡΕΠΕΙ πάντα να τροφοδοτείται αξιόπιστα με επαρκή ισχύ (π.χ. επίσης ιατρικός εξοπλισμός όπως αιμοποιητές, εξαερισμός κ.λπ.), καθώς και φωτισμός, δρομολογητές και άλλοι καταναλωτές αθροίζονται και το αποτέλεσμα ορίζεται ως η ελάχιστη τιμή που είναι αξιόπιστα διαθέσιμη ανά πάσα στιγμή και υπό όλες τις συνθήκες.

Σταθερή χρήση

Εδώ, τόσο η επιφάνεια της μονάδας όσο και η χωρητικότητα της μπαταρίας θεωρούνται μεταβλητές, ενώ μόνο η κατανάλωση θεωρείται στατική.

Η ελάχιστη-μέγιστη ημερήσια κατανάλωση που προσδιορίζεται από τις καθημερινές μετρήσεις του μετρητή κατά τους χειμερινούς μήνες μπορεί να χρησιμεύσει ως πρόχειρος οδηγός. Στο ελάχιστο σενάριο, η λειτουργία των συσκευών που χρησιμοποιούνται μόνιμα ή συχνότερα κατά τη διάρκεια της ημέρας θα πρέπει να διασφαλίζεται, ενώ οι ιδιαίτερα ενεργοβόρες συσκευές λειτουργούν με προσοχή. Με τον τρόπο αυτό εξοικονομούνται οικονομικοί πόροι στο σχεδιασμό της αποθήκευσης.

Το μέγιστο σενάριο επιτρέπει τη λειτουργία όλων των συσκευών στον συνήθη βαθμό, χωρίς περιορισμούς. Αυτό θα μπορούσε να θεωρηθεί ως προαιρετικός στόχος, αν και με τη χρήση μεγαλύτερου κεφαλαίου.

Τι θα γινόταν αν ...;

Προσομοίωση - Χρήση μέσω κινητού τηλεφώνου

Υποθέτοντας μια επίπεδη εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών μονάδων (γωνία κλίσης 0°), προκύπτουν τα ακόλουθα δεδομένα:

500 Wh εγγυημένη απόδοση κατά τους χειμερινούς μήνες με 1.150 Wp και χωρητικότητα μπαταρίας 1.120 Ah, που αντιστοιχεί σε 14.336 Wh, με μέγιστη εκφόρτιση 85 %.

Με ημερήσιες απολήψεις μεγαλύτερες από 500 Wh, υπάρχει κίνδυνος να εκφορτιστούν πλήρως οι μπαταρίες, καθώς η ημερήσια ηλιακή ακτινοβολία δεν επαρκεί πλέον για να καλύψει τη φόρτιση.

Η αύξηση στα 850 Wh είναι δυνατή μόνο με τετραπλάσια(!) χωρητικότητα της μπαταρίας και οδηγεί σε εκφόρτιση έως και 71%.

Προσομοίωση - Σταθερή χρήση

Σε σταθερή θέση, η γωνία κλίσης βελτιστοποιείται σε θέση με νότιο προσανατολισμό: αυτό οδηγεί σε αύξηση της απόδοσης έως και 50 %. Η τυπική γωνία κλίσης είναι 35°. Καθώς ο ήλιος βρίσκεται χαμηλότερα το χειμώνα, μια πιο απότομη γωνία 39° παράγει υψηλότερη απόδοση κατά τους χειμερινούς μήνες. Από την άλλη πλευρά, οι πιο απότομες γωνίες οδηγούν σε μείωση της απόδοσης.

Η ημερήσια κατανάλωση 750 Wh είναι δυνατή σε γωνία κλίσης 39°, με κατά τα άλλα πανομοιότυπα δεδομένα.

Για σύγκριση, Österby - Gotlands län, Σουηδία (51,188, 6,749) - εδώ μόνο μια γωνία κλίσης 69° οδηγεί σε πιθανή ημερήσια εκφόρτιση 500 Wh με 85 % εκφόρτιση.
Η μείωση της γωνίας κλίσης σε 39°, από την άλλη πλευρά, οδηγεί σε μειωμένη απόδοση μόνο 10 %.
Σε περιοχές με μεγάλο όγκο χιονιού, μια πιο απότομη θέση έχει νόημα απλώς και μόνο επειδή μειώνει τη συσσώρευση χιονιού στις μονάδες.