Πολλοί από εμάς έχουμε φωτοβολταϊκά συστήματα εγκατεστημένα σε αυτές, άλλοι πάλι όχι.

Παρόλα αυτά όμως πόσοι από εμάς γνωρίζουμε τι είναι τα συστήματα αυτά, τι ακριβώς κάνουν και ακόμα καλυτερα πως το κάνουν?

Ας τα δούμε λοιπόν απο την αρχή.

Θα τα βρούμε στο εμπόριο σε δυό μεγάλες κατηγορίες. Τα μονοκρυσταλλικά και τα πολυκρυσταλλικά.

Τα μονοκρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα αναπτύχθηκαν αρχικά για την αεροδιαστημική και δορυφορική τηλεόραση, αργότερα χρησιμοποιήθηκαν σε φωτοβολταϊκά πλαίσια για την παραγωγή ηλιακής ενέργειας και σήμερα διακρίνονται για την υψηλή απόδοση τους. Τα μονοκρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα, τα οποία είναι τετράγωνα κομμάτια με στρογγυλεμένες γωνίες,

διασυνδέονται μεταξύ τους, για να σχηματίσουν τους ηλιακούς συλλέκτες. Φωτοβολταϊκά από μονοκρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα έχουν ένα σκούρο μπλε χρώμα και διάρκεια ζωής περίπου 30 χρόνια.

Τα πολυκρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα, καθώς και τα μονοκρυσταλλικά είναι κατασκευασμένα από πυρίτιο. Ωστόσο, το πυρίτιο δεν είναι τόσο καθαρό όπως στην παραγωγή των μονοκρυσταλλικών κυττάρων. Κατά την διαδικασία παρασκευής, ένα μπλοκ πυριτίου χυτεύεται και στη συνέχεια ψύχεται βραδέως. Οταν το τετηγμένο πυρίτιο ψύχεται και γίνεται στερεό, οι κρυσταλλικές δομές του εμφανίζονται σε διάφορα μεγέθη. Από αυτό το μπλοκ τότε μπορούν να διαχωριστούν φέτες, και κάθε φέτα αποτελεί ένα πολυκρυσταλλικό ηλιακό κύτταρο.Τα πολυκρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα είναι τετράγωνα, αλλά δεν έχουν στρογγυλεμένες γωνίες,

όπως τα μονοκρυσταλλικά και έτσι η παρασκευή των ενοτήτων είναι λιγότερο δαπανηρή. Οι ενότητες είναι μπλέ και δεν είναι τόσο σκούρες όσο τα μονοκρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα και η απόδοσή τους βρίσκεται περίπου στο 15%.

ΤΡΟΠΟΙ ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΑΣ
Τα 12V φωτοβολταϊκά πάνελ, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε μεγαλύτερα συστήματα. Συνδέοντας τα πάνελ σε σειρά,

παράλληλα

ή σε συνδυασμό των δύο, επιτυγχάνουμε την επιθυμητή τάση του συστήματος και την απαιτούμενη ισχύ. Έτσι μπορούμε να φορτίζουμε μπαταρίες μεγαλύτερης τάσης, όπως είναι 24V, 36V, 48V.

ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΧΡΕΙΑΖΟΜΑΣΤΕ

Τι χρειαζόμαστε όμως εκτός από τα πάνελ για μια τυπική συνδεσμολογία φωτοβολταικών για την φόρτιση, συντήριση των μπαταριών του σκάφους μας?

• Πρώτο πράγμα που θα χρειαστούμε είναι καλώδια κατάλληλης διατομής και βέβαια υλικού αφού μιλάμε για εγκατάσταση στην θάλασσα. Έτσι ένας μπούσουλας για μια απλή εγκατάσταση 2-3 πάνελ με μήκος μεταξύ των μερών του συστήματος έως 5 μέτρα θα ήταν καλώδιο διατομής 4mm. Για μεγαλύτερες αποστάσεις ή και ειδικές πριπτώσεις τα 6mm ή και μεγαλύτερα θα ήταν προτεινόμενα. Τα καλώδια που χρησιμοποιούνται για τα φβ έιναι ειδικά, σε κάθε περίπτωση όμως προστατέψτε τα απο τις καιρικές συνθήκες (ήλιο, βροχή κτλ)

Δεύτερο υλικό που θα χρειαστούμε είναι οι σύνδεσμοι τύπου MC4 . Αυτοί θα μας βοηθήσουν αρκετά στην περίπτωση που έχουμε παραπάνω του ενός πάνελ στην αποσυναρμολόγιση τους και στην εύκολότερη αποθήκευση τους στην περίπτωση που δεν έχουμε μόνιμη εγκατάσταση των πάνελ σε κάποιο σημείο του σκάφους μας.

Αφήσαμε για το τέλος τον ρυθμιστή που είναι και ένα απο τα βασικότερα στοιχεία μιας ολοκληρωμένης εγκατάστασης φβ συστήματος.

Οι ρυθμιστές βρίσκονται στην αγορά σε δυο βασικούς τύπους, τους PWM  και τους MPPT .

Και οι δύο αυτό που κάνουν είναι να φέρουν την τάση του φωτοβολταϊκού που συνήθως σε πλήρη ηλιοφάνεια είναι γύρω στα 18Volts  σε τέτοια επίπεδα ώστε να επιτύχουν φόρτιση των μπαταριών με τέτοιο όμως τρόπο που να μην είναι επιβλαβής για τις ίδιες τις μπαταρίες.

Δεν θα πρέπει ποτέ να χρησιμοποιήσουμε φωτοβολταϊκά πάνελ χωρίς ρυθμιστή όποιες και να είναι οι καταναλώσεις μας και οι βασικοί λόγοι γι'αυτο είναι δυο.

Ο πρώτος είναι αυτο που προαναφέραμε ότι δηλαδή μας προστατεύει τις μπαταρίες από υπερφόρτιση και ένας δεύτερος αλλά το ίδιο σημαντικός είναι ότι παίζουν τον ρόλο του απομωνωτή των μπαταριών από τους συλλέκτες κατά τις ώρες που η ηλιοφάνεια είναι τέτοια που δεν μπορεί να εξασφαλίσει δυναμικό υψηλότερο των συσσωρευτών μας.

Τα πάνελ στην συνδεσμολογία τους περιλαμβάνουν μια δίοδο zenner. Όταν το δυναμικό τους είναι χαμηλότερο από αυτό των συσσωρευτών τότε το ρεύμα ρέει στο κύκλωμα “ανάποδα”. Από τις μπαταρίες προς τα πάνελ και έτσι ενέργεια καταναλώνεται και στα στοιχεία του πάνελ και πάνω στην δίοδο.  Όμως η παρουσία ενός ρυθμιστή απογορεύει αυτήν την ανάποδη ροή και μας εξασφαλίζει ότι δεν θα χαθέι ενέργεια από τους συσσωρευτές μας.

Ας δούμε τώρα ποιές είναι οι διαφορές μεταξυ των  PWM και MPPT και πως δικαιολογείται η αυξημένη τιμή των δεύτερων σε σχέση με τους PWM.

Οι ρυθμιστές PWM φένουν την τάση της εξόδου του φβ να ταιριάξει με την τάση της μπαταρίας. Αυτό με απλά λόγια σημαίνει ότι σε μια πεσμένη μπαταρία η ενέργεια που μας δίνουν είναι μικρή σε σχέση με το τι μπορούν να δώσουν αφού Watt=Volt x Ampere.

Αυτό βέβαια μόνο στην αρχή της φόρτισης αφού όπως είπαμε και πιο πάνω ταιριάζουν την τάση εξόδου τους με την τάση της μπαταρίας. Έτσι όταν η τάση της μπαταρίας αναίβει τότε αυξάνουν και αυτά την ενέργεια που παίρνουν απο το φβ μιας και το ρεύμα είναι σταθερό.

Ένα παράδειγμα για να το καταλάβουμε:

Έχουμε λοιπόν φωτοβολταϊκό 100W 12Volts με που βγάζει 18 Vmp. To ρεύμα εξόδου του φβ θα είναι 5.56Α Ιmp βάση του τύπου της ενέργειας.

Πάμε λοιπόν να δούμε τι κάνει ο PWM

Χαμηλή τάση μπαταρίας

11V x 5.56A Imp = 61W

Άρα το φβ στην αρχή της φόρτισης μας δίνει 61W

Πάμε να δούμε με υψηλή τάση στην μπαταρία, μετά δηλαδή από αρκετή ώρα που η μπαταρία έχει αρχίσει να φoρτίζει.

Υψηλή τάση μπαταρίας

14V x 5.56A Imp = 78W

Ας δούμε τώρα τι κάνουν οι MPPT ρυθμιστές.

Αυτοί οι ρυθμιστές ρίχνουν την τάση τους στην τάση της μπαταράας αλλά το ρεύμα που δίνουν προκύπτει από τον λόγο των τάσεων. Άρα αφού η ενέργεια είναι ίδια δηλαδή ότι βγαίνει από το φβ μπαίνει στην μπαταρία (μιλάμε για ιδανικές συνθήκες) τότε αναγκαστικά αλλάζει το ρεύμα. Άρα εδώ σε αντίθεση με του PWM που το ρεύμα είναι στεθερό εδώ αλλάζει. Πόσο αλλάζει όμως?

Πάμε να δούμε ένα παράδειγμα.

Έχουμε πάλι το ίδιο φωτοβολταϊκό 100W 12Volts με που βγάζει 18 Vmp. To ρεύμα εξόδου του φβ θα ειναι 5.56Α Ιmp βάση του τύπου της ενέργειας.

Χαμηλή τάση μπαταρίας 11V

Η τάση εξόδου του φβ ειναι 18Vmp / 11 V (τάση μπαταρίας) = 1,6 : 1 ο  λόγος
Άρα ρίχνουμε την τάση του φβ κατά 1,6.
Όμως αφού είπαμε ότι η ενέργεια πρέπει να παραμείνει σταθερή τότε θα πρέπει να αυξηθεί το ρεύμα κατά λόγο ίσο με 1,6

Το ρευμα του φβ Ιmp ειναι 5.56Α

Άρα 1,6 χ 5.56 Imp = 8.9Α

Άρα το φωτοβολταϊκό μας θα δώσει 8.9Α για να φορτίσει την μπαταρία μας και άρα θα μας δώσει

11V x 8.9A = 97.8 W

Υψηλή τάση μπαταρίας 14V

Η τάση εξόδου του φβ είναι 18Vmp / 14 V (τάση μπαταρίας) = 1,28 : 1  ο λόγος
Άρα ρίχνουμε την ταση κατα 1,28.
Όμως αφού είπαμε ότι η ενέργεια πρέπει να παραμείνει σταθερή τότε θα πρέπει να αυξηθεί το ρεύμα κατά λόγο ίσο με 1,28

Το ρεύμα του φβ Ιmp είναι 5.56Α
Άρα 1,6 χ 5.56 Imp = 7.1Α

Άρα το φωτοβολταϊκό μας θα δώσει 7.1Α για να φορτίσει την μπαταρία μας και άρα θα μας δώσει

14V x 7.1A = 99.4 W

Από τα παραπάνω παραδείγματα μπορούμε εύκολα να καταλάβουμε πως με τους ρυθμιστές MPPT μπορούμε με την ίδια ηλιοφάνεια να πάρουμε περισσότερη παραγώμενη ισχύ για να φορτίσουμε τις μπαταρίες μας ή να τροφοδοτήσουμε μια κατανάλωση.

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

Κάθε ηλεκτρική – ηλεκτρονική συσκευή έχει επάνω της ένα ταμπελάκι που αναγράφει την ηλεκτρική κατανάλωση της σε Watt. Αυτήν την ενέργεια την καταναλώνει σε μια ώρα συνεχούς λειτουργίας στο μέγιστο της απόδοσης της.

Έτσι αθροίζοντας τις καταναλώσεις των συσκεύων που θέλουμε να λειτουργούμε σε ένα 24ωρο θα βρούμε πόσα Watts  χρειαζόμαστε.

Ας υποθέσουμε λοιπόν ότι χρειαζόμαστε 1000 Watts για ένα 24ωρο.

Ας υπολογίσουμε τώρα πόσα πάνελ χρειαζόμαστε και πόσους συσσωρευτές για να αποθηκέυσουμε την παραγώμενη ενέργεια από τα πάνελ.

Για να βρούμε την απαιτούμενη ισχύ των πάνελ διαιρούμε την συνολικη ημερήσια κατανάλωση δια του 5. Έτσι στο παραπάνω παράδειγμα θα έχουμε 1000 Watt/Hours δια του 5 = 200 Watts/pannel.

Άρα χρειαζόμαστε πάνελ ισχύος 200 Watts . Αυτό μπορεί να προκύψει από ένα ή και περισσότερα πάνελ.

Για να υπολογίσουμε τώρα την χωρητικότητα του συσσωρευτή μας, που θα πρέπει να είναι βαθιάς εκφόρτισης, διαιρούμε την συνολική κατανάλωση που υπολογίσαμε πιο πάνω 1000 Watts/Hours με την τάση του συστήματος μας πχ 12Volts.

1000 watts/hours δια 12 volts = 83.33 ΑΗ χωρητικότητα συσσωρευτή.

Όμως η πλήρης εκφόρτιση των συσσωρευτων είναι κάτι που δεν πρεπει να γίνεται, οπότε διπλασιάζουμε (ή και παραπάνω) την χωρητικότητα του συσσωρευτή. Στο παράδειγμα μας καλό θα ήταν αν επιλέξουμε συσσωρευτή χωρητικότητας 200Ah. Με αυτόν τον τρόπο κερδίζουμε μεγαλύτερη διάρκεια ζωής του συσσωρευτή μας.

Όλοι οι παραπάνω υπολογισμοί έχουν γίνει με βάση την μια ημέρα αυτονομίας. Αν λοιπόν την επόμενη ημέρα δεν έχουμε ηλιοφάνεια αρκετή θα καταλήξουμε να μείνουμε από ενέργεια. Αυτό λοιπον που θα πρέπει να κάνουμε είναι να πολλαπλασιάσουμε τα παραπάνω με έναν ικανό αριθμό έτσι ώστε να έχουμε περιθώρια στην περίπτωση συνεχόμενων ημερών συννεφιάς.