Αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα ηλεκτροδότησης

Υποσυστήματα Αυτόνομου Φωτοβολταϊκού - Αρχή Λειτουργίας

Ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό αποτελείται κυρίως από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια (photovoltaic panels - PV), το ρυθμιστή φόρτισης (controller), τις μπαταρίες ή συσσωρευτές (battery bank) και τον αντιστροφέα τάσης (inverter).
Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρικό ρεύμα, εκμεταλλευόμενα το φωτοβολταϊκό φαινόμενο κατά το οποίο η πρόσπτωση φωτονίων σε μία επαφή p-n δημιουργεί μετακίνηση ηλεκτρονίων και κατά συνέπεια ηλεκτρικό ρεύμα. Χαρακτηριστικά μεγέθη των πλαισίων είναι η τάση και η ισχύς τους (συνήθως είναι 24βολτα και η ισχύ κυμαίνεται από 200-250Watts). Διακρίνονται σε πολυκρυσταλλικά, μονοκρυσταλλικά και άμορφα με τις διαφορές τους να επικεντρώνονται κυρίως στο κόστος και λιγότερο στην απόδοσή τους [1 -3].
Το ρεύμα αυτό μέσω του ρυθμιστή φόρτισης διοχετεύεται στους συσσωρευτές. Ο ρυθμιστής φόρτισης είναι εκείνη η ηλεκτρονική διάταξη που καθορίζει τη διαδικασία φόρτισης-εκφόρτισης των μπαταριών (για παράδειγμα όταν οι μπαταρίες είναι πλήρως φορτισμένες και δεν υπάρχει ζήτηση από το φορτίο διακόπτει την παροχή ρεύματος από τα φωτοβολταϊκά πάνελ προς τη συστοιχία συσσωρευτών). Οι ρυθμιστές φόρτισης καθορίζονται από την τάση και το ρεύμα λειτουργίας τους. Η τάση ταυτίζεται με την τάση της συστοιχίας συσσωρευτών και το ρεύμα καθορίζεται από τον αριθμό των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Διακρίνονται σε "έξυπνους" (MPPT = maximum power point tracking) και μή, οι  πρώτοι εκμεταλλεύονται καλύτερα την ηλιακή ακτινοβολία καθώς ανιχνεύουν το βέλτιστο σημείο λειτουργίας του φωτοβολταϊκού πλαισίου [6]. 
Οι συσσωρευτές είναι ίσως το κρισιμότερο τμήμα ενός αυτόνομου συστήματος ηλεκτροδότησης καθώς είναι το πιο φθαρτό από άποψη χρόνου ζωής υποσύστημα. Διακρίνονται σε ανοιχτού και κλειστού τύπου με την πρώτη κατηγορία να έχει χαμηλότερο κόστος και μεγαλύτερο χρόνο ζωής αλλά ανάγκη συντήρησης. Χαρακτηρίζονται από την τάση (Volts) και την χωρητικότητά τους (Ah). Το γινόμενο της τάσης με την χωρητικότητας μας δίνει την αποθηκευμένη ενέργεια στους συσσωρευτές σε (Wh).
Ο αντιστροφέας είναι η συσκευή που μετατρέπει τη συνεχή τάση των μπαταριών σε εναλλασσόμενη, έτοιμη προς χρήση από τα φορτία. Χαρακτηρίζεται από την τάση λειτουργίας του (η οποία ταυτίζεται με την τάση της συστοιχίας συσσωρευτών) και συνήθως είναι καθαρού ημιτόνου (παλαιότερα χρησιμοποιήθηκαν και αντιστροφείς τροποποιημένου ημιτόνου οι οποίοι πλέον έχουν εγκαταλειφθεί λόγω της φθοράς που προκαλούν στις ευαίσθητες ηλεκτρονικές συσκευές).
Πολλές φορές συνεπικουρικά με τα φωτοβολταϊκά ή την ανεμογεννήτρια χρησιμοποιείται και κάποια γεννήτρια καυσίμων η οποία βοηθά την λειτουργία σε περιπτώσεις ανυπαρξίας ηλιακής ή αιολικής ενέργειας. Σε αυτή την περίπτωση χρησιμοποιείται φορτιστής μπαταριών από γεννήτρια [1].

Διαστασιολόγηση Αυτόνομου Φωτοβολταϊκού Συστήματος Ηλεκτροδότησης

Ο υπολογισμός και η επιλογή των επιμέρους υποσυστημάτων ενός αυτόνομου συστήματος ηλεκτροδότησης είναι μια αναλυτική διαδικασία εκτίμησης ενεργειακών αναγκών [4 , 8].
Τοποθετώντας σε έναν πίνακα τα ηλεκτρικά φορτία και τις αναμενόμενες ώρες χρήσης τους ημερησίως ο μελετητής υπολογίζει την απαιτούμενη ημερήσια ενέργεια (Ε). Για παράδειγμα ένα πλυντήριο ισχύος 2000Watts το οποίο θα λειτουργήσει για 1 ώρα θα καταναλώσει 2kWh ηλεκτρική ενέργεια.  
 όπου   ή στιγμιαία ισχύς του i-οστού φορτίου, και  οι απαιτούμενες ώρες λειτουργίας ημερησίως [4].  
Από την ημερήσια ενέργεια () υπολογίζουμε αρχικά την συνολική ισχύ και κατά συνέπεια τον αριθμό των φωτοβολταϊκών πλαισίων που θα χρησιμοποιηθούν. Για παράδειγμα αν απαιτούνται 10kWh για μια εξοχική κατοικία ημερησίως το καλοκαίρι θα χρειαστούμε τουλάχιστον 10 πλαίσια των 250Watts τα οποία θα δώσουν σε μία ηλιόλουστη μέρα τον Ιούλιο με Νότιο προσανατολισμό και κλίση περίπου 30 μοίρες 10kWh.  
 , όπου  
     : Ισχύς φωτοβολταϊκού (σε kWp) 
  : Ημερήσιες ανάγκες ενέργειας (σε kWh) 
    : Ισχύς προσπίπτoυσας ακτινοβολίας σε κανονικές συνθήκες (1kW/sqm) 
          : Περιθώριο (συνήθως 1.2) 
     : Ημερήσια προσπίπτουσα ακτινοβολία από τον ήλιο (για Αθήνα περίπου 3kWh/sqm/day το Δεκέμβριο και 7kWh/sqm/day τον Ιούνιο) 
     : Απώλειες φωτοβολταϊκού (συνήθως 0.8) 
      : Απώλειες μεταφοράς καλωδίων (συνήθως 0.9) 
         : Ημέρες αυτονομίας (συνήθως 2-4)  
Ο αριθμός των ημερών αυτονομίας που απαιτεί ο χρήστης μας υπαγορεύει τη χωρητικότητα της συστοιχίας συσσωρευτών. Για παράδειγμα στο παραπάνω παράδειγμα για 2 μέρες αυτονομία θα πρέπει οι μπαταρίες να μπορούν να μας δώσουν χωρίς καθόλου βοήθεια από τον ήλιο 20kWh. Η τάση της συστοιχίας των συσσωρευτών επιλέγεται ανάλογα με το μέγεθος του φωτοβολταϊκού. Έτσι αν έχουμε φωτοβολταϊκό έως 1kWp επιλέγουμε τάση 12Volts, από 1-4kWp επιλέγουμε 24Volts και από 4-5kWp και πάνω επιλέγουμε 48Volts. Διαιρώντας την ενέργεια που θα πρέπει να έχει η μπαταρία με την τάση βρίσκουμε την χωρητικότητα σε Ah της συστοιχίας. Στο σημείο αυτό υπενθυμίζεται ότι όταν έχουμε δυο μπαταρίες σε σειρά η χωρητικότητα παραμένει ίδια ενώ αθροίζεται η τάση (το αντίθετο συμβαίνει όταν παραλληλίζουμε δύο μπαταρίες). Στο παράδειγμά μας λοιπόν θα επιλέξουμε 24Volts (ισχύς φωτοβολταϊκού 2.5kWp) και χωρητικότητα μπαταρίας τουλάχιστον 30kWh (=1250Ah@24V), δηλαδή 12 μπαταρίες των 2V με χωρητικότητα 1250Αh συνδεδεμένες εν σειρά.
 , όπου
          : Χωρητικότητα συστοιχίας συσσωρευτών (σε Ah)
         : Ημέρες αυτονομίας (συνήθως 2-4)
           : Ποσοστό φορτίων που τροφοδοτούνται από τον συσσωρευτή (για παράδειγμα ένα φορτίο που δουλεύει μόνο νύχτα έχει p=1)
          : Περιθώριο (συνήθως 1.2)
  : Ημερήσιες ανάγκες ενέργειας (σε kWh)
        : Απώλειες γήρανσης (συνήθως 0.8)
      : Απώλειες μεταφοράς καλωδίων (συνήθως 0.9)
   : Βάθος εκφόρτισης (από 0.4 έως 0.8 ανάλογα με τις μέρες αυτονομίας)
          : Τάση συστοιχίας συσσωρευτών (σε Volts)
Η επιλογή της ισχύος των φωτοβολταϊκών πλαισίων και της τάσης των συσσωρευτών μας ορίζει την επιλογή του ρυθμιστή φόρτισης. Στο παράδειγμά μας θα επιλέξουμε ένα φορτιστή στα 24Volts που να μπορεί να "σηκώσει" 2.5kWp φωτοβολταϊκά.
Τέλος, επιλέγουμε τον αντιστροφέα σύμφωνα με την μέγιστη στιγμιαία ισχύ (ταυτόχρονα λειτουργούντων) φορτίων. Προφανώς η τάση του αντιστροφέα επιλέγεται σύμφωνα με την τάση των συσσωρευτών. Αν για παράδειγμα θέλουμε να λειτουργούν ταυτόχρονα 5 λάμπες των 10Watts, μία τηλεόραση των 200Watts, ένα ψυγείο των 200Watts και ένα πλυντήριο των 2300Watts θα επιλέξουμε ισχύ αντιστροφέα τουλάχιστον 3.000Watts συνυπολογίζοντας την μειωμένη απόδοση των αντιστροφέων αυξανόμενης της θερμοκρασίας περιβάλλοντος αλλά και τις αυξημένες απαιτήσεις των κινητήρων σε ρεύμα εκκίνηση (σημειώνεται ότι όλοι οι αντιστροφείς αυτόνομων φωτοβολταϊκών έχουν τη δυνατότητα ρεύματος εκκίνησης τουλάχιστον δύο φορές το ονομαστικό) [10].

Συσσωρευτές για Αυτόνομα Φωτοβολταϊκά

Το κρισιμότερο ίσως υποσύστημα ενός αυτόνομου συστήματος ηλεκτροδότησης είναι η συστοιχία συσσωρευτών και αυτό γιατί αποτελεί το ακριβότερο αλλά και πιο φθαρτό μέρος του. Όλοι συσσωρευτές χαρακτηρίζονται πέρα από την τάση και την χωρητικότητά τους από τους κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης που μπορούν να προσφέρουν σε συγκεκριμένο ποσοστό εκφόρτισης. Σημειώνεται ότι το γινόμενο κύκλων ζωής με το βάθος εκφόρτισης παραμένει σταθερό συνεπώς όσο βαθύτερα εκφορτίζουμε μία μπαταρία τόσο λιγότερο θα "ζήσει" [1].
Στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά χρησιμοποιούνται μπαταρίες βαθιάς εκφόρτισης με πολλούς κύκλους λειτουργίας. Συνήθεις τιμές είναι 1.500 κύκλοι λειτουργίας για εκφόρτιση ακόμη και 80% της ονομαστικής χωρητικότητας.
Διακρίνονται κυρίως σε ανοιχτού και κλειστού τύπου. Οι μπαταρίες ανοιχτού τύπου (flooded - συνήθης τύπος OpZs) έχουν το μειονέκτημα της απαίτησης καλού αερισμού και τακτικής συμπλήρωση υγρών ενώ ως βασικό πλεονέκτημα είναι οι μεγάλες χωρητικότητες συνδυαζόμενες με πολλούς κύκλους ζωής και χαμηλό σχετικά κόστος. Αντίθετα οι μπαταρίες κλειστού τύπου (συνήθως VRLA-AGM) δεν απαιτούν συντήρηση αλλά είναι ακριβότερες για λιγότερους κύκλους ζωής (χρησιμοποιούνται κυρίως όταν απαιτούνται μεταβλητές κλίσεις πχ υποβρύχια).

Εγκατάσταση και Συντήρηση Αυτόνομου Φωτοβολταϊκού Συστήματος

Η εγκατάσταση ενός αυτόνομου συστήματος ηλεκτροδότησης πρέπει να γίνεται από εξειδικευμένο συνεργείο, καθώς πέρα από τις ορθές επιλογές για την σωστή λειτουργία (διαστασιολόγηση, επιλογή καλωδίων, μέσων ασφαλείας, προσανατολισμός φωτοβολταϊκής συστοιχίας κ.α.), ενέχει πολλούς κινδύνους για τη ζωή του τεχνικού εγκατάστασης [11]. Μεγάλη προσοχή πρέπει να δοθεί κατά την εγκατάσταση στις βάσεις στήριξης οι οποίες πρέπει να αγκυρωθούν σωστά στο έδαφος, το δώμα ή την κεραμοσκεπή καθώς πολλές φορές οι ανεμοπιέσεις είναι τεράστιες. Η σωστή επιλογή καλωδίων είναι πολύ κρίσιμος τομέας επίσης κυρίως από τις μπαταρίες στον αντιστροφέα και το ρυθμιστή όπου πολλές φορές οι διατομές ξεπερνούν τα 100mm². Τέλος οι ασφάλειες τήξεως και οι μικροαυτόματοι που θα επιλεγούν πρέπει να είναι κατάλληλοι για φωτοβολταϊκά και μπαταρίες (για παράδειγμα μία ασφάλεια ΝΗ1 200Α AC 120kA μπορεί στα 48V της μπαταρίας να αντέξει το πολύ 20kA ρεύμα βραχυκυκλώσεως το οποίο αντιστοιχεί σε συσσωρευτές κάτω από 2000Ah) και να καλύπτουν κάθε περίπτωση αστοχίας ή σφάλματος (κεραυνός, βραχυκύκλωμα κα.).
Η συντήρηση ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συνίσταται κυρίως στη συντήρηση της συστοιχίας μπαταριών. Αν πρόκειται για ανοιχτού τύπου μπαταρίες απαιτείται περιοδικός έλεγχος της στάθμης των υγρών αλλιώς κύριο μέλημα είναι ο έλεγχος των πόλων. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια το μόνο που χρειάζονται είναι περιοδικός καθαρισμός και σύσφιξη των συνδέσεων των βάσεων στήριξης [5].

Πότε επιλέγουμε τη χρήση Γεννήτριας καυσίμων

Η χρήση γεννήτριας καυσίμων σε ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό στις περισσότερες περιπτώσεις είναι επιβεβλημένη. Όσο άριστη εκτίμηση αναγκών και σχεδίαση του συστήματος να έγινε κάποια στιγμή ο χρήστης θα υπερεκτιμήσει τις δυνατότητες του συστήματος ή κάποια στιγμή η ηλιοφάνεια ή ο άνεμος θα προδώσει τις εκτιμήσεις του σχεδιαστή και θα έχουμε black-out. Ανάλογα με το προφίλ του χρήστη και τη σημαντικότητα των φορτίων του γίνεται και η επιλογή χρήσης γεννήτριας ή όχι. Ο σχεδιαστής δίνει μία εκτίμηση του ποσοστού του χρόνου που θα υπάρχει έλλειψη ενέργειας και αναλόγως ο χρήστης επιλέγει. Αν για παράδειγμα πρόκειται για ένα ζαχαροπλαστείο με ευαίσθητα προϊόντα η χρήση γεννήτριας είναι αναπόφευκτη.
Το μέγεθος της γεννήτριας υπολογίζεται ανάλογα με τα φορτία (τουλάχιστον τόση ισχύ ώστε να μπορεί να τροφοδοτήσει τα ταυτόχρονα φορτία που απαιτούνται), αλλά και την ανάγκη πέρα από την τροφοδότηση των φορτίων για φόρτιση των συσσωρευτών [1, 4].

Πού χρησιμοποιείται το Αυτόνομο Φωτοβολταϊκό

Τα αυτόνομα συστήματα ηλεκτροδότησης χρησιμοποιούνται σε κτίρια που είναι απομακρυσμένη και κατά συνέπεια κοστοβόρα ή αδύνατη η σύνδεση με το δημόσιο δίκτυο, σε πλωτά σκάφη, εξοχικά, τροχόσπιτα κ.α. Δεν είναι λίγοι οικισμοί στην Αφρικανική ήπειρο που τροφοδοτούνται πλήρως από αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα. Επίσης χρησιμοποιείται ως back-up λύση σε περιπτώσεις αυξημένης συχνότητας διακοπών ρεύματος κυρίως για επιχειρήσεις με ευαίσθητα προϊόντα (για παράδειγμα ένα κρεοπωλείο σε ένα τουριστικό νησί μετά τα black-out του 2013 στη Σαντορίνη). Στην Ελλάδα γίνεται χρήση κατα κόρον σε εξοχικά σπίτια που δεν έχουν ρεύμα. Τα τελευταία χρόνια η αύξηση του κόστους της ηλεκτρικής ενέργειας αύξησε κατακόρυφα τη ζήτηση τέτοιων συστημάτων σε επιχειρήσεις κυρίως τουριστικές (απομακρυσμένα μικρά ξενοδοχεία, καντίνες κ.α.) αλλά και σε κύριες κατοικίες [1].

Αξιοπιστία Αυτόνομων Φωτοβολταϊκών

Η ραγδαία πτώση των τιμών των φωτοβολταϊκών πλαισίων τα τελευταία χρόνια και η αύξηση της ποιότητας των επιμέρους υλικών έχει συμβάλλει στην αύξηση της αξιοπιστίας των εν λόγω συστημάτων σε λογικά κόστη. Πριν μερικές δεκαετίες η φήμη των αυτόνομων φωτοβολταϊκών ήταν αρκετά κακή κυρίως λόγω των συχνών βλαβών που παρουσίαζαν οι αντιστροφείς και λόγω της μειωμένης διάρκειας ζωής των συσσωρευτών. Οι τελευταίες τεχνολογικές εξελίξεις έχουν λύσει και τα δύο παραπάνω προβλήματα προσφέροντας τη δυνατότητα για ασφαλή, αξιόπιστα και ποιοτικά αυτόνομα συστήματα ηλεκτροδότησης [1].