Dobór niezbędnej mocy generatora PV/generatora fotowoltaicznego dla naszego systemu autonomicznego w pojeździe, tj. ilości modułów fotowoltaicznych/baterii słonecznych jest zagadnieniem niezmiernie złożonym, ale postaram się przekazać tą wiedzę w maksymalnie uproszczony sposób bez używania zawiłych wzorów, schematów i tabel.

Najważniejsze czynniki

Jeśli chcemy, aby nasz system korzystał wyłącznie z energii odnawialnej wytworzonej poprzez generator PV/generator fotowoltaiczny to ilość zużywanej przez nas energii nie może być większa niż produkcja energii przez generator fotowoltaiczny. Co jest bardzo ważne, ze względu na sprawność poszczególnych urządzeń i straty należy przyjąć, że do wykorzystania pozostanie nam około 50 proc. ilości energii wyprodukowanej przez zainstalowany generator PV/generator fotowoltaiczny.

W poprzedniej części artykułu zdobyli Państwo wiedzę jak robić bilans energetyczny dla wszystkich odbiorników w pojeździe i jak dobierać pojemność baterii akumulatorów. W tej części pokażę jak dobierać moc generatora PV/generatora fotowoltaicznego, pokażę schemat pełnego systemu dla pojazdu oraz przekażę porady praktyczne istotne dla systemów autonomicznych.

Dobór niezbędnej mocy generatora PV/generatora fotowoltaicznego dla naszego systemu autonomicznego w pojeździe, tj. ilości modułów fotowoltaicznych/baterii słonecznych jest zagadnieniem niezmiernie złożonym, ale postaram się przekazać tą wiedzę w maksymalnie uproszczony sposób bez używania zawiłych wzorów, schematów i tabel.

Najważniejsze czynniki

Jeśli chcemy, aby nasz system korzystał wyłącznie z energii odnawialnej wytworzonej poprzez generator PV/generator fotowoltaiczny to ilość zużywanej przez nas energii nie może być większa niż produkcja energii przez generator fotowoltaiczny. Co jest bardzo ważne, ze względu na sprawność poszczególnych urządzeń i straty należy przyjąć, że do wykorzystania pozostanie nam około 50 proc. ilości energii wyprodukowanej przez zainstalowany generator PV/generator fotowoltaiczny.

Ilość zużywanej przez nas energii znamy po wykonaniu pomiarów lub bilansu energetycznego systemu, co zostało opisane w poprzednim artykule. Ilość energii produkowanej przez generator PV/generator fotowoltaiczny zależy od wielu czynników, z których najważniejsze to:

• lokalizacja geograficzna, w którejnajczęściej będziemy przebywali(nasłonecznienie, pogoda,zacienienie);
• pora roku, w której będzie używanysystem;
• sposób zamontowania systemu(płasko na dachu, czy może naruchomej, rozkładanej konstrukcji,pozwalającej na optymalne ustawieniesystemu w miejscu docelowym);
• rodzaju zastosowanego regulatora ładowania/kontrolera(regulator MPPT, np. Phocos, Victron Energy spowoduje zwiększenie produkcji energii w stosunku do tradycyjnegoregulatora PWM nawet o 30 proc.);
• wielkości systemu (moczainstalowanych modułówfotowoltaicznych/baterii słonecznych wyrażona w Wp,jest to najbardziej oczywisty czynnikwpływający na produkcję energiielektrycznej przez generator PV/generator fotowoltaiczny).

Dla umożliwienia dalszych rozważań i uproszczenia przyjmujemy, że system będzie użytkowany latem w klimacie takim jak w Polsce lub podobnym.
Od razu rodzi się pytanie, dlaczego tak zakładamy?
Odpowiedź jest prosta, robimy tak dlatego, że w znakomitej większości przypadków tak będzie, a poza tym, ze względów technicznych, w większości przypadków, niemal niemożliwe byłoby zamontowanie na pojeździe systemu o mocy zapewniającej całkowitą autonomię zimą, gdyż generator fotowoltaiczny/generator PV projektowany na zimę musi być około 8-10 razy większy od systemu projektowanego na lato. Jeśli nie istnieje możliwość umieszczenia generatora PV/generatora fotowoltaicznego o dużych gabarytach na pojeździe, to można wykonać odpowiednio duży specjalny rozkładany system fotowoltaiczny, wozić go ze sobą i rozkładać w miejscu postoju. To są rozwiązania do zadań specjalnych, np. dla wojska.

My skupimy się na tym, co ma sens ekonomiczny i daje się zmieścić na typowym pojeździe rekreacyjnym.

Ile mocy?

W każdym przypadku głównym ograniczeniem na pojeździe, które będzie wymiarowało nasz system jest powierzchnia jaką będziemy mogli wykorzystać do montażu modułów fotowoltaicznych/baterii słonecznych.
Im większą powierzchnię przeznaczymy do tego celu, tym lepiej. Generator PV/generator fotowoltaiczny powinien pozwolić na wyprodukowanie energii w odpowiedniej ilości. Najlepiej, aby ta ilość całkowicie pokrywała nasze zużycie wraz ze stratami, czyli była dwa razy większa niż realne zużycie energii wynikające z bilansu energetycznego.

Latem (lipiec i sierpień), podczas słonecznej pogody, w warunkach polskich generator PV/generator fotowoltaiczny z regulatorem MPPT zainstalowany płasko na dachu pojazdu wyprodukuje około 400 [Wh] energii na 100 [Wp] mocy zainstalowanej w modułach fotowoltaicznych/bateriach słonecznych.
Mając dobowe zużycie energii wyrażone w watogodzinach, możemy wyliczyć jakiej wielkości generator PV/generator fotowoltaiczny jest potrzebny do zaspokojenia naszych potrzeb (pamiętamy, że produkcja energii generatora PV/generatora fotowoltaicznego musi być około dwa razy większa od jej zużycia):

PPVmin = Ewh/2

gdzie:
PPVmin to minimalna moc generatora PV [Wp] zapewniająca pełną autonomię systemu,
a
EWh oznacza dobowe zużycie energii przez odbiorniki pojazdu wyliczone z bilansu energetycznego lub zmierzone [Wh].

Jeśli dobowo będziemy zużywali tyle energii elektrycznej, ile wyszło nam w bilansie energetycznym w poprzednim artykule, czyli 902 [Wh], to generator PV/generator fotowoltaiczny, który zaspokoi nasze potrzeby i zapewni pełną autonomię będzie miał moc około 450 [Wp].

Uwaga! Jeśli dostępna powierzchnia na to pozwala, na naszym pojeździe powinniśmy zainstalować generator PV/generator fotowoltaiczny o mocy pozwalającej na uzyskanie prądu ładowania wyrażonego w amperach [A] większego lub rownego około 10 proc. pojemności baterii rozrywkowej umieszczonej na naszym pojeździe i nie większej niż 50 proc. tejże pojemności.

Te wartości są umowne, ale jeśli będą mieściły się w podanym zakresie, zapewni to optymalną pracę baterii akumulatorów i znacząco wydłuży jej żywotność. Jeśli rozrywkowa bateria akumulatorów, zainstalowania w części użytkowej naszego pojazdu, ma pojemność 220Ah to najlepiej, aby prąd ładowania uzyskiwany z generatora PV był większy lub przynajmniej równy 22A i nie przekraczał 110A. W rozważanym przypadku minimalna moc generatora PV/generatora fotowoltaicznego powinna wynosić około 390Wp (np. trzy moduły PV 130Wp lub dwa moduły PV 195Wp).

Mój prosty wzor na wyliczanie mocy modułów fotowoltaicznych/baterii słonecznych dla danej wartości prądu jest następujący:

PPV [Wp] = 17,73*IŁmin

gdzie:
PPV jest to moc generatora PV/generatora fotowoltaicznego wyrażona w watt peak [Wp],
Iłmin to minimalny zalecany prąd ładowania dla rozrywkowej baterii akumulatorów [A].

Uwaga! Jeśli, z różnych względów, np. braku miejsca, generator PV/generator fotowoltaiczny będzie miał mniejszą moc, niż ta, która gwarantuje minimalny prąd ładowania, i tak należy generator PV/generator fotowoltaiczny zainstalować, gdyż w każdym przypadku zwiększa on naszą niezależność, wydłuża autonomię pracy systemu oraz obniża zużycie energii pobieranej z zewnątrz, czy spalanie paliwa w celu doładowywania baterii rozrywkowej, a w wielu przypadkach przy oszczędnym gospodarowaniu energią zapewni nam pełną autonomię zasilania.

Porady praktyczne

Aby zapewnić jak najmniejsze zużycie baterii akumulatorów i optymalne wykorzystanie produkowanej energii z systemu fotowoltiacznego, należy użytkować system z generatorem PV/generatorem fotowoltaicznym tak, aby największe zużycie energii przypadało w ciągu dnia, kiedy energia jest produkowana, a unikać dużych poborów energii nocą, gdy zużywamy energię zgromadzoną w akumulatorach w ciągu dnia. Jeśli jest to możliwe, średnie zużycie energii nie powinno przekraczać jej produkcji.

Ilość produkowanej energii zauważalnie zwiększymy, stosując dobrej klasy regulator ładowania MPPT zamiast standardowego regulatora PWM. Zastosowanie regulatora MPPT zapewni do 30 proc. więcej energii z generatora fotowoltaicznego/generatora PV oraz większe prądy ładowania. Regulatory MPPT można stosować nie tylko w nowo instalowanych systemach, ale można je też zainstalować w pojazdach, które posiadają już generatory fotowoltaiczne i standardowo mają zainstalowane regulatory PWM. Pozwoli to na zwiększenie ilości produkowanej energii przy małych nakładach i niewielkiej ingerencji w instalację pojazdu.

Jeśli chcemy zasilać lodówkę elektryczną energią odnawialną z generatora PV/generatora fotowoltaicznego a nie gazem, to należy zastosować typową energooszczędną lodówkę klasy A+++ lub lepszej (np. firmy Liebherr czy Siemens – te aktualnie są najbardziej energooszczędne), zasilaną z inwertera sinusoidalnego Victron Energy lub podobnej klasy.
Dobre, standardowe lodówki klasy A+++ zużywają nawet 10x mniej energii niż lodówki produkowane typowo dla pojazdów.
Używanie bardzo energochłonnych lodówek typowo stosowanych w pojazdach, zasilanych z trzech źródeł, tj. 12V/230V/ gaz, zupełnie nie wchodzi w rachubę. Typowa lodówka przeznaczona dla pojazdów, a w szczególności lodówka absorpcyjna zużywa nawet 2kWh (2000Wh) energii na dobę. Takie zużycie energii jest w większości przypadków nieakceptowalne dla systemu autonomicznego z generatorem PV/generatorem fotowoltaicznym.

Inwerter lub inwerter/ładowarka zastosowany w pojeździe musi zapewniać odpowiednią jakość napięcia, tj. wytwarzać naprawdę sinusoidalne napięcie na wyjściu. Niestety niewiele firm oferuje urządzenia inwerterowe gwarantujące odpowiednią jakość napięcia wyjściowego, a jego zła jakość to nie tylko ogromne straty energii, ale i ryzyko uszkodzenia odbiorników.

Uszkodzeniu ulegają agregaty lodówek, urządzenia transformatorowe, odkurzacze i inne czułe odbiorniki, które potrzebują do zasilania napięcie o odpowiedniej jakości.

Oświetlenie niskonapięciowe 12V stosowane na pojazdach, a w szczegolności oświetlenie typu LED musi akceptować napięcia z szerokiego zakresu 11-15V. Większość produktów dostępnych na rynku zupełnie nie spełnia tego wymagania i nie nadaje się do tego celu. Odpowiednie źrodła światła produkuje np. firma Phocos i są to jedne z bardzo nielicznych produktow tego typu. W przypadku oświetlenia LED, dodatkowo należy zwrocić uwagę na migotanie i odpowiedni kolor widmowy światła typu LED tak, aby nie szkodziło ono użytkownikom.

Mam nadzieję, że moje artykuły pozwolą Państwu na samodzielne zaprojektowanie systemu autonomicznego wykorzystującego fotowoltaikę jako źrodło energii na Państwa kamperze, jachcie, łodzi czy innym pojeździe. Starałem się przekazać tyle, ile było to możliwe w tym cyklu artykułów.

Autor: mgr inż. Marek Półtorak
marek.poltorak@ecosolar.pl