Sprawdzenie możliwości wykorzystania panelu fotowoltaicznego do całorocznego zasilania przyrządów pomiarowych w terenie

Jarosław Sochacki, LAB-EL Elektronika Laboratoryjna

Opublikowano 2013 r.

Założenia eksperymentu:

• Mały panel fotowoltaiczny
• Akumulator żelowy
• Stacja pomiarowa w terenie
• Całoroczne zasilanie energią słoneczną

Energia słoneczna

Współczesne materiały dają niezwykłe możliwości konstruowania aparatury elektronicznej przystosowanej do pracy w trudnych warunkach. Umiemy w LAB-EL wykonywać urządzenia pomiarowe wytrzymujące duże całoroczne amplitudy temperatur, wilgotność nawet do 100% czy zapylenie. Nasze urządzenia są coraz bardziej energooszczędne, wyposażone w inteligentne algorytmy zarządzania mocą. Jednym z obszarów zastosowań sprawiających największe problemy jest aparatura elektroniczna zainstalowana w terenie pozbawionym dostępu do sieci energetycznej. Wybudowanie choćby kilkuset metrów linii zasilającej jest dużą inwestycją, przekraczającą daleko koszty zakupu samych urządzeń. Alternatywą mogłoby być cykliczne dostarczanie do stacji pomiarowej naładowanych akumulatorów, jednak jest to niewygodna i coraz rzadziej akceptowana forma obsługi urządzenia. W wieku XXI komfort użytkownika jest stawiany na wysokiej pozycji listy priorytetów.

Moda a praktyka

Rozwiązanie problemu zasilania wydaje się oczywiste, w pierwszej kolejności przychodzą pomysły wykorzystania ekologicznych źródeł energii, takich jak bateria słoneczna czy turbina wiatrowa. Ale czy jest to faktycznie właściwa odpowiedź? Takie pytanie zadaliśmy sobie w LAB-EL-u, a następnie przeprowadziliśmy doświadczenie. Temat odnawialnych źródeł energii jest od wielu lat globalną modą, co sprzyja również możliwości zakupienia tanich materiałów do budowy mini-elektrowni solarnej. W naszym eksperymencie sprawdzaliśmy wydajność energetyczną panelu fotowoltaicznego oraz małej elektrowni wiatrowej w ujęciu całorocznym. Po testach okaząło się, że energia wiatru na Mazowszu jest zbyt mała, w większości panuje bezwietrzna pogoda i stosowanie małych turbin wiatrowych jest bezcelowe.

Stawiamy pytanie

Postawione w eksperymencie pytanie można by uprościć do przykładowej formuły: Czy korzystając z panelu słonecznego da się bez przerw zasilać urządzenie wymagające 12V DC i pobierające np. 30 mA? Jak dużą powierzchnię musi mieć panel aby tego dokonać? Jak duży akumulator powinniśmy zastosować?

Przebieg eksperymentu z ogniwem fotowoltaicznym

W naszym doświadczeniu wykorzystaliśmy łatwo dostępne materiały: polikrystaliczny panel fotowoltaiczny „no name” o powierzchni czynnej około 0,23 m², kontroler zasilania marki Steca, oraz akumulator żelowy 12 V /17 Ah. Panel w sprzedaży określony był marketingowym parametrem mocy maksymalnej 30W. Badanie odbywało sie w cyklu dobowym. Akumulator ładowano w porze dziennej i rozładowywano w nocy podłączając obciążenie 0,8 A. Kontroler zasilania dbał o to by odłączyć obciążenie na bezpiecznej granicy rozładowania akumulatora. Panel słoneczny został ustawiony tak by maksymalizować odbiór energii słonecznej w potencjalnie najkrótsze dni, to jest w czasie przesilenia zimowego – skierowany na południe z kątem elewacji ok. 15°. Dodatkowo przy obliczeniach przyjęto następujące parametry:

• Akumulator kwasowo-ołowiowy pracujący w niskich temperaturach   charakteryzuje się dużo niższą pojemnością niż nominalna. Przyjęto że granicznie będzie to -20°C i pojemność spadnie o współczynnik 0,65.
• Układ kontrolera zużywa prąd akumulatora non-stop, dodatkowo występuje zjawisko samo-rozładowania akumulatora. Wartość energii utraconej w ten sposób oszacowano na 1,2Wh na dobę.

Eksperyment był wykonywany od jesieni 2011 do jesieni 2012. Nadzór nad pomiarami prowadzono automatycznie w systemie pomiarowym LAB-EL LBX. Czas rozładowywania akumulatora znanym prądem był codziennie mierzony i zapisywany do bazy danych programu LAB-EL LBX. Dla każdego dnia, w którym uzyskano ładunek pozwalający na choćby krótkie załączenie obciążenia, obliczono otrzymaną ze słońca energię. W efekcie uzyskano szereg danych, z których wynika np. że maksymalną porcją energii było 448Wh zebraną w słoneczny czerwcowy dzień. Z drugiej strony w grudniu, styczniu i lutym bywały dni, w których światło słoneczne dostarczało ledwie wystarczającej ilości energii na pokrycie  zapotrzebowania kontrolera (minimalnie 1,9 Wh).

Wykorzystanie danych ze stacji meteorlologicznej LAB-EL

Firma LAB-EL Elektronika Laboratoryjna prowadzi internetową stację meteorologiczną (pod adresem http://www.meteo.waw.pl/) bazująca na urządzeniach i oprogramowaniu własnej produkcji.

Stacja jest zlokalizowana w tym samym miejscu, na którym przeprowadzono eksperyment z panelem fotowoltaicznym. W skład stacji wchodzi m.in. czujnik natężenia promieniowania słonecznego LB-900. Baza danych stacji zawiera wyniki pomiarów promieniowania od 2003 roku. Dane te postanowiliśmy wykorzystać do rozszerzenia bazy informacji wejściowych do procesu przetwarzania i opracowania wyników eksperymentu. Porównaliśmy zapisy czujnika promieniowania i zapisy uzyskiwanej energii w naszym doświadczeniu i na tej podstawie opracowaliśmy funkcję korelującą oba szeregi danych. Posiadając taką funkcję mogliśmy wnioskować jak zachowałby się wykorzystany przez nas panel słoneczny w całym okresie od 2003 do 2012 roku. Mając do dyspozycji tak długą bazę czasową możemy uzyskać lepsze wnioski, nieobciążone jakimiś szczególnymi warunkami pogodowymi, które wystąpiły w latach 2011-2012.

Bateria słoneczna - wnioski końcowe

Posiadając dane z eksperymentu i jego ekstrapolacji na inne lata możemy przeprowadzić symulację, w której okaże się czy dla konkretnych parametrów baterii słonecznej, akumulatora oraz wartości obciążeń można liczyć na bezprzerwowe zasilanie. Na postawione w eksperymencie pytanie czy jesteśmy w stanie zasilić naszym panelem urządzenie o ciągłym poborze 30 mA odpowiadamy:

Poniżej przedstawione zostały warunki eksploatacji systemu fotowoltaicznego jako źródła bezprzerwowego zasilania dla różnych obciążeń. W tabelach podano minimalne wartości powierzchni panelu słonecznego oraz pojemności akumulatora. Korzystając z tych danych należy mieć na uwadze, że pochodzą one z symulacji według pewnego modelu i nie ma 100% pewności że będą powtarzalne dla innego panelu w innej instalacji. Powierzchnia panelu będzie podawana w odniesieniu do wydajności ogniwa użytego w eksperymencie i przy założeniu proporcjonalności pomiędzy powierzchnią i wydajnością.