Google+

W instalacjach fotowoltaicznych, oprócz urządzeń odpowiedzialnych za wytworzenie prądu elektrycznego, istotną rolę odgrywają akumulatory, które pozwalają na gromadzenie i przechowywanie energii.

Fot. 1.
Akumulator elektryczny stanowi rodzaj ogniwa galwanicznego, które może być wielokrotnie użytkowane i ładowane prądem elektrycznym (tzw. ogniwo wtórne).Fot. 1. Akumulator elektryczny stanowi rodzaj ogniwa galwanicznego, które może być wielokrotnie użytkowane i ładowane prądem elektrycznym (tzw. ogniwo wtórne).

Akumulator elektryczny stanowi rodzaj ogniwa galwanicznego, które może być wielokrotnie użytkowane i ładowane prądem elektrycznym (tzw. ogniwo wtórne). Akumulatory gromadzą, a potem uwalniają energię elektryczną w efekcie działania odwracalnych reakcji chemicznych zachodzących w elektrodach zanurzonych w elektrolicie.

Mówi się o dwóch cyklach pracy realizowanych w akumulatorach. Jeden z nich stanowi ładowanie, a więc akumulator pełni rolę odbiornika energii elektrycznej. We wnętrzu akumulatora energia elektryczna jest przetwarzana na energię chemiczną. W drugim cyklu pracy energia elektryczna jest pobierana, a akumulator stanowi wtedy źródło prądu elektrycznego na skutek przemiany energii chemicznej na energię elektryczną. Pobór energii z akumulatora prowadzi do stopniowego rozładowania akumulatora.

Kiedy akumulator jest ładowany, prąd płynie w przeciwnym kierunku niż podczas jego rozładowania. W procesie ładowania i rozładowania zachodzą odwracalne reakcje chemiczne. Warto zwrócić uwagę na uboczne, a zarazem nieodwracalne reakcje zachodzące w akumulatorze. To właśnie w efekcie ich występowania akumulator traci swoje parametry.

Fot. 2.
Mówiąc o parametrach akumulatorów warto przypomnieć, że najczęściej branym do porównania parametrem jest pojemność.Fot. 2. Mówiąc o parametrach akumulatorów warto przypomnieć, że najczęściej branym do porównania parametrem jest pojemność.

Mówiąc o parametrach akumulatorów warto przypomnieć, że najczęściej branym do porównania parametrem jest pojemność. Stanowi ona zdolność akumulatora do przechowywania ładunku elektrycznego, zazwyczaj wyrażana w amperogodzinach [Ah], rzadziej w jednostkach układu SI (jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb, 1 Ah = 3600 C). Ponieważ pojemność akumulatora zależy od kilku warunków pomiaru, dlatego warto sprawdzać te warunki przy porównywaniu pojemności akumulatorów różnych producentów.

Fot. 3.
Kiedy akumulator jest ładowany prąd płynie w przeciwnym kierunku niż podczas jego rozładowania.Fot. 3. Kiedy akumulator jest ładowany prąd płynie w przeciwnym kierunku niż podczas jego rozładowania.

Wymagania

Wymagania, które stawia się akumulatorom stosowanym w instalacjach fotowoltaicznych są nieco inne jak w przypadku akumulatorów używanych chociażby w elektroenergetyce czy też telekomunikacji. W kontekście charakteru działania instalacji fotowoltaicznej należy mieć na uwadze pracę akumulatora w trybie buforowym, z rzadkim pozostawaniem w stanie całkowitego naładowania. Istotna jest ciągła praca cykliczna oraz założenie czasu wyładowań wynoszącego do 100 h. Zwraca się uwagę na pracę akumulatora w szerokim zakresie temperatur oraz okresy pomiędzy doładowaniami liczone w dniach. W efekcie jeżeli w instalacji fotowoltaicznej zostanie zastosowany tradycyjny akumulator to z pewnością nie osiągnie on założonego okresu eksploatacji. Ważne jest zatem zastosowanie akumulatorów dedykowanych.

Fot. 4.
Mówi się o dwóch cyklach pracy realizowanych w akumulatorach. Jeden z nich stanowi ładowanie, a więc akumulator pełni rolę odbiornika energii elektrycznej.Fot. 4. Mówi się o dwóch cyklach pracy realizowanych w akumulatorach. Jeden z nich stanowi ładowanie, a więc akumulator pełni rolę odbiornika energii elektrycznej.

Biorąc pod uwagę konstrukcje akumulatorów ołowiowo-kwasowych pod względem stanu elektrolitu dostępne są modele klasyczne, żelowe oraz akumulatory AGM. Istotne są również rodzaje płyt dodatnich akumulatorów. Płyty wielkopowierzchniowe (tzw. Plante) występują wyłącznie w akumulatorach klasycznych. Płyty kratkowe stosuje się w akumulatorach klasycznych oraz AGM, natomiast rzadziej w żelowych. Płyty pancerne występują wyłącznie w akumulatorach klasycznych i żelowych.

Akumulatory klasyczne

W akumulatorach klasycznych elektrolit w postaci ciekłej wypełnia ogniwo. Elektrolit stanowi wodny roztwór kwasu siarkowego. Z kolei elektrody bazują na ołowiu i tlenku ołowiu PbO2 (anoda). Decydując się na zastosowanie akumulatorów klasycznych warto zadbać o dodatkowe wyposażenie. Przede wszystkim zalicza się do nich zewnętrzne rekombinatory gazów. To właśnie dzięki nim jest zmniejszana częstotliwość wykonywania przeglądów serwisowych oraz ograniczane są wymagania względem wentylacji. Niejednokrotnie jako akcesorium współpracujące z akumulatorami klasycznymi zastosowanie znajdują zewnętrzne systemy mieszania elektrolitu odgrywające szczególnie istotną rolę podczas wolnego ładowania baterii. Do instalacji fotowoltaicznych poleca się wyłącznie akumulatory klasyczne z pancerną płytą dodatnią.

Fot. 5.
Od właściwego montażu i czynności serwisowych zależy nie tylko trwałość ale i bezpieczeństwo
eksploatacji akumulatora.Fot. 5. Od właściwego montażu i czynności serwisowych zależy nie tylko trwałość ale i bezpieczeństwo eksploatacji akumulatora.

Akumulatory żelowe

Osobną grupę stanowią akumulatory żelowe, gdzie elektrolit uwięziony w strukturze krzemionki zamieniono w żel. Jako zalety akumulatorów tego typu wymieniane są przede wszystkim wysoka sprawność ładowania, mniejsze wymagania wentylacyjne oraz brak efektu rozwarstwiania elektrolitu w procesie wolnego ładowania. W konstrukcjach dedykowanych do fotowoltaiki zapewniony jest pełny powrót ze stanu głębokiego rozładowania oraz zwiększoną ilość głębokich cykli ładowania i rozładowania przez możliwość zastosowania płyt pancernych w elektrodach. Wszystkie te zalety przemawiają za stosowaniem akumulatorów żelowych w instalacjach o niestabilnej sieci zasilającej.

Akumulatory AGM

W instalacjach fotowoltaicznych bardzo często zastosowanie znajdują akumulatory bazujące na technologii AGM (ang. Absorbed Glass Mat). Cały elektrolit jest skupiony w separatorach stanowiących maty z włókna szklanego, które umieszczone są pomiędzy ołowiowymi płytami akumulatora. Jest więc wyeliminowana możliwość wycieku elektrolitu z uszkodzonego mechanicznie akumulatora. W systemie uszczelnienia akumulatorowego wykonanego w technologii AGM przewidziano jednokierunkowy zawór ciśnieniowy (VRLA), który otwiera się wraz z nadmiernym wzrostem ciśnienia nagromadzonych gazów. Należy podkreślić, że do takiego zjawiska może dojść chociażby podczas przeładowania akumulatora. Zadaniem zaworu jest zatem odprowadzenie nadmiaru powstałego gazu na zewnątrz, przy utrzymywaniu bezpiecznego nadciśnienia wewnątrz obudowy. Taka konstrukcja zapewnia utrzymywanie wysokiej sprawności procesu tzw. rekombinacji wewnętrznej, charakterystycznej dla całej grupy akumulatorów VRLA. Ważne jest, że akumulator może być montowany w dowolnej pozycji. Jako zalety wynikające ze stosowania akumulatorów wykonanych w technologii AGM, w odniesieniu do akumulatorów żelowych, wymienia się przede wszystkim niższy koszt początkowy. Dodatkowo jest możliwość uzyskania większej wartości natężenia prądu oraz mocy w przypadku krótkich czasów wyładowania. Maksymalna moc akumulatora w dużej mierze wynika z niskiej rezystancji wewnętrznej konstrukcji oraz skróconego czasu reakcji pomiędzy masą czynną płyty a elektrolitem. Na uwagę zasługuje wysoki poziom koncentracji energii oraz skuteczne odprowadzenie ciepła powstającego podczas przepływu prądu. Przy wszystkich powyższych zaletach akumulatory AGM oferują najkrótszy okres eksploatacji oraz najmniejszą ilość cykli ładowania- rozładowania. Z tego względu nie bierze się ich pod uwagę przy projektowaniu magazynów energii większej mocy.

Fot. 6.
Zanim akumulator zostanie uruchomiony należy sprawdzić wszystkie ogniwa pod względem zgodności numeru fabrycznego, ewentualnych uszkodzeń mechanicznych,
prawidłowego wykonania połączeń oraz właściwej polaryzacji.Fot. 6. Zanim akumulator zostanie uruchomiony należy sprawdzić wszystkie ogniwa pod względem zgodności numeru fabrycznego, ewentualnych uszkodzeń mechanicznych, prawidłowego wykonania połączeń oraz właściwej polaryzacji.

Montaż i eksploatacja akumulatorów

Nie ma wątpliwości co do tego, że od właściwego montażu i czynności serwisowych zależy nie tylko trwałość, ale i bezpieczeństwo eksploatacji akumulatora. Zanim akumulator zostanie uruchomiony należy sprawdzić wszystkie ogniwa pod względem zgodności numeru fabrycznego, ewentualnych uszkodzeń mechanicznych, prawidłowego wykonania połączeń oraz właściwej polaryzacji. Ważne jest prawidłowe dokręcenie śrub kluczem dynamometrycznym odpowiedzialnych za połączenia międzyogniwowe. Baterie, po wcześniejszym wyłączeniu urządzenia ładującego, należy połączyć z instalacją prądu stałego. Ważne jest przy tym sprawdzenie prawidłowości podłączenia bieguna baterii względem odpowiedniego zacisku regulatora ładowania. Istotną rolę odgrywają okresowe czynności kontrolne akumulatorów. Stąd też zaleca się aby nie rzadziej niż raz na 6 miesięcy dokonać pomiaru i analizy napięcia baterii, baterii kilku wytypowanych ogniw, temperatury w pomieszczeniu baterii oraz temperatury powierzchni zewnętrznej kilku wytypowanych ogniw. W przypadku, gdy napięcie poszczególnych ogniw różni się od średniej wartości napięcia ładowania konserwującego o +0,2 V lub o -0,1 V należy wezwać serwis. Z kolei raz w roku przeprowadza się i rejestruje napięcia oraz temperaturę powierzchni wszystkich ogniw baterii. Oprócz tego raz na rok sprawdzane są złącza śrubowe pod względem stanu połączenia i dokręcenia z uwzględnieniem odpowiedniego momentu. Warto zadbać również o sprawdzenie wentylacji w pomieszczeniu oraz wyczyszczenie baterii – koniecznie wilgotną szmatką.

Fot. 7.
W instalacjach fotowoltaicznych bardzo często zastosowanie znajdują
akumulatory bazujące na technologii AGM (ang. Absorbed Glass Mat).Fot. 7. W instalacjach fotowoltaicznych bardzo często zastosowanie znajdują akumulatory bazujące na technologii AGM (ang. Absorbed Glass Mat).

Dobór akumulatora

Przy doborze akumulatora należy pamiętać, że celem przedłużenia jego trwałości pokrycie zapotrzebowania na energię warto uwzględnić z stuprocentowym zapasem. Tym sposobem zostanie wyeliminowane zjawisko głębokiego rozładowania. Jako podstawowe zadanie akumulatora wymienia się kompensowanie braków dostarczanej energii elektrycznej z głównego źródła do odbiorów. Wynika ono z pory dnia bowiem więcej energii zużywa się wieczorem,

zaś otrzymuje w południe. Istotna jest przy tym zmienność natężenia padającego promieniowania i konieczność uwzględnienia pewnego zapasu energii na około 2 – 3 dni latem oraz 3 – 5 dni zimą. Pojemność akumulatora może być obliczana jest za pomocą wzoru:

C = 2 × W × F/U

gdzie:
W dzienne zapotrzebowanie odbiorów w energię [Wh],
F współczynnik związany z rezerwą energii, wynoszący: 2,5 latem i 4 zimą (minimalne wartości),
U napięcie systemu [V].

Należy zwrócić uwagę, że wyliczona pojemność akumulatora zależy bezpośrednio od ilości energii odbiorów w jednym cyklu, natomiast nie zależy od mocy zainstalowanych modułów fotowoltaicznych. W sprawach prawidłowego doboru akumulatorów warto zwracać się o pomoc do przedstawicieli producentów działających na Polskim rynku.

Fot. 8.
W systemie uszczelnienia akumulatorowego wykonanego w technologii AGM przewidziano jednokierunkowy zawór ciśnieniowy (VRLA), który otwiera się wraz z nadmiernym wzrostem ciśnienia nagromadzonych gazów.Fot. 8. W systemie uszczelnienia akumulatorowego wykonanego w technologii AGM przewidziano jednokierunkowy zawór ciśnieniowy (VRLA), który otwiera się wraz z nadmiernym wzrostem ciśnienia nagromadzonych gazów.

Podsumowanie

Istotną rolę dla zapewnienia prawidłowej pracy akumulatora jest jego prawidłowy dobór oraz zaawansowane kontrolery ładowania, które odpowiadają za kontrolowanie stopnia rozładowania akumulatora oraz jego prawidłowe ładownie. W niektórych regulatorach przewidziano trójpoziomowy algorytm ładowania z kompensacją temperaturową. Tym sposobem znacząco wydłuża się trwałość akumulatorów. W wielu rozwiązaniach zastosowano regulator typu master, który zarządza regulatorami slave. Zaletą takiego rozwiązania jest możliwość pracy kilku regulatorów z jedną baterią. Bezpieczeństwo montażu i użytkowania zapewni zabezpieczenie nadprądowe, przeciwzwarciowe i temperaturowe. Regulatory pracują z dowolnym napięciem wejściowym.

EKSPERT

Michał Siembaba

Rozwoju instalacji PV nie da się już zatrzymać!

Perspektywa wejścia w życie nowego systemu wsparcia dla energetyki odnawialnej stwarzającego szansę na rozwój rynku fotowoltaicznego wzbudza duże zainteresowanie a jednocześnie wiele wątpliwości. Działania Unii Europejskiej zmierzające do zwiększania udziału w rynku energii pochodzących ze źródeł odnawialnych, a jednocześnie niepewność związana z eksploatacją i dostawą surowców nieodnawialnych (węgiel, gaz) każą nam się poważnie zastanowić nad alternatywą jaką są ogniwa fotowoltaiczne.

O wyjaśnienie podstawowych zagadnień związanych z instalacjami PV poprosiliśmy Michała Siembaba, dyrektora generalnego Polskiej Izby Gospodarowania Energią Odnawialną.

Czy, a jeśli tak, to w jaki sposób polskie prawo normalizuje indywidualną produkcję energii elektrycznej przy wykorzystaniu ogniw fotowoltaicznych?

Znowelizowane w zeszłym roku prawo energetyczne pozwala na łatwiejsze niż w przypadku źródeł większych niż 40 kW włączanie wszystkich takich instalacji do sieci dystrybucyjnej, jeżeli właściciel instalacji OZE chciałby sprzedać nadwyżkę energii do sieci elektroenergetycznej. Zgodnie z art. 7 ust. 8 pkt 3 lit b włączający instalację do sieci są zwolnieni z opłat z tym związanych. Jednakże dynamiczny rozwój ilości tych instalacji, w opinii PIGEO nie będzie miał miejsca, w takim a nie innym porządku prawnym. Przede wszystkim najbardziej rażą zapisy art. 9v PE, które pozwalają na sprzedaż nadwyżki energii do sieci, ale po cenie równej 80% średniej ceny energii z zeszłego roku na rynku konkurencyjnym, ogłaszanej raz do roku przez Prezesa URE. Już przy okazji projektu ustawy o OZE krytykowaliśmy te zapisy. Skutkują one tym, że jeżeli produkujemy nadwyżkę energii zakład energetyczny gotów jest nam za nią zapłacić 80% × 180 PLN/MWh czyli 14,4 gr/kWh. Gospodarstwa domowe kupują dziś energię po 60 gr/kWh. Tak więc nasz sąsiad, który w odróżnieniu od nas w porze dnia będzie w domu, a nie w pracy, kupi produkowaną energię tak, jakby wyprodukowano ją w oddalonej o setki kilometrów elektrowni. Jedynym beneficjentem takiego rozwiązania prawnego jest zakład energetyczny, który nie inwestując zarabia na produkowanej przez nas energii 3 razy więcej niż prosument. I to niezależnie czy produkcja jest prowadzona w instalacji PV czy małej turbinie wiatrowej. Ważne jest kryterium mocy (źródło mniejsze niż 40 kW).

Instalacja przyłączana do sieci, z której nadwyżka energii będzie sprzedawana zakładowi energetycznemu winna być wykonana zgodnie z wydanymi przez zakład energetyczny warunkami. Właściciel musi podpisać z zakładami energetycznymi stosowne umowy. Instalacja nie musi być montowana przez certyfikowanego instalatora, o którym mowa w nowelizacji - na nich przyjdzie nam jeszcze z dwa lata poczekać. Jeżeli instalacja jest jedynie na potrzeby własne to i tak musimy ją zgłosić. W przygotowywanym projekcie ustawy o OZE za nie zgłoszenie instalacji grozi nawet kara 10.000 PLN. Jak widać legislator pomyślał o wszystkim i nie ułatwił życia potencjalnym prosumentom.

W jaki sposób indywidualny wytwórca energii elektrycznej może zagospodarować nadmiar prądu?

Biorąc pod uwagę wszystko co napisałem powyżej, ważne jest by nie przewymiarować instalacji PV, nadwyżka kWh sprzedawanych na zewnątrz okresu spłaty nam nie skróci. Każda zaoszczędzona MWh to natomiast ok. 600 PLN. Tak więc podejmując decyzję o zakupie instalacji powinniśmy zbadać nasze wewnętrzne zapotrzebowanie na energię. Przyjrzeć się wszystkim „wewnętrznym procesom” w naszym gospodarstwie domowym. Może włączyć w ciągu dnia pranie, albo magazynować energię w chłodzie w zamrażalniku. Dużo zależy od medium, którego używamy do przygotowania c.w.u. lub ogrzewania. Jeżeli jest nim prąd to jest już łatwiej. To oczywiście najprostsze metody, ale coraz bardziej dostępne stają się technologie pozwalające magazynować nadmiar energii elektrycznej, tylko póki co ich cena jest zaporowa. Chyba, że czyimś celem jest całkowita niezależność energetyczna.

Jaka jest procedura odbioru energii przez zakład energetyczny?

W przypadku technologii prosumenckich o mocy mniejszej niż 40 kW inwestor jest zwolniony z opłaty za przyłączenie instalacji do sieci (zgodnie z art. 7 ust. 8 pkt 3 lit b Prawa Energetycznego). Dalej znajdujemy zapisy, które regulują procedurę przyłączania. Tak więc w art. 7 ust. 8d4 (czas na gruntowną nowelizację Prawa Energetycznego) znajdujemy zapis, że każda instalacja prosumencka o mocy zainstalowanej mniejszej niż wydana w warunkach przyłączenia musi być zgłoszona do operatora. Układy zabezpieczające i pomiarowe instalowane są na koszt zakładu energetycznego. Natomiast jeżeli instalacja ma większą moc niż wydane warunki na odbiór wtedy przyłączenie następuje na podstawie umowy o przyłączenie do sieci. W obu przypadkach na koszt zakładu energetycznego. Nie potrzeba również spełniać wszystkich wymogów formalnych (jak np. wypis i wyrys z planu miejscowego) koniecznych w przypadku przyłączenia do sieci źródeł o większej mocy.

Instalacja nie musi być montowana przez certyfikowanego instalatora, ale wszelkie warunki bezpieczeństwa określone w warunkach przyłączenia muszą być spełnione.

Sprzedaż energii z instalacji prosumenckiej nie jest działalnością gospodarczą, ale póki co jej sprzedaż może się odbyć tylko po cenie omówionej już wcześniej (art. 9v Prawa Energetycznego).

Czy planowane są dotacje na tworzenie tego typu mini elektrowni?

Na dzisiaj jedynym programem wsparcia dla instalacji mikro jest nie w pełni jeszcze wdrożony program Prosument. Jest on instrumentem wdrażanym przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Gdy program będzie już całkowicie wdrożony będzie można uzyskać wsparcie na budowę:

  • małych elektrowni i elektrociepłowni opalanych biomasą pochodzenia leśnego i rolniczego,
  • kolektorów słonecznych o zainstalowanej mocy cieplnej do 300 kWt,
  • systemów fotowoltaicznych o zainstalowanej mocy elektrycznej do 40 kWp,
  • małych elektrowni wiatrowych o zainstalowanej mocy elektrycznej do 40 kWe,
  • mikrobiogazowni o zainstalowanej mocy elektrycznej do 50 kWe.

Wsparcie w wysokości 600 mln złotych zostanie rozdysponowane na terenie całej Polski. Dostępne będą dotacje w wysokości do 20% nakładów inwestycyjnych lub preferencyjne pożyczki nawet do 100% nakładów. Obie formy wsparcia będą dostępne przede wszystkim dla osób fizycznych jak i spółdzielni mieszkaniowych, wspólnot, gmin. Należy przypuszczać, że za tym programem pójdą również banki, które przygotują produkty finansowe korzystne dla tych, którzy pod program się nie kwalifikują albo dla których zabraknie środków.

Jak prezentuje się polski rynek produkcji energii odnawialnej w indywidualnej skali, w porównaniu z innymi krajami europejskimi?

To nie jest pytanie, na które można odpowiedzieć w kilku zdaniach. Ta sytuacja różni się bardzo znacząco nawet na terenie samej Europy. U naszych zachodnich sąsiadów klienci kupują energię elektryczną na własne potrzeby za kwotę ok. 25 ct€/kWh, natomiast za nadwyżkę sprzedawaną do sieci otrzymują prawie 17 ct€/kWh. Opłaca się zatem budować systemy zaspokajające własne potrzeby konsumentów, ale nadwyżkę również można z zyskiem sprzedać. 17 ct€ to przecież ok. 70 groszy za kWh, znacząco więcej niż 14 groszy oferowane w Polsce. Takich indywidualnych instalacji w Niemczech jest kilkaset tysięcy. Łączna moc instalacji PV na koniec 2013 r. to ponad 35 GW. W znakomitej większości to właśnie instalacje indywidualne. W Wielkiej Brytanii roczny przyrost instalacji mikro (w ponad 90% PV) to ponad 1,25 GW mocy. Oba kraje realizują zupełnie odmienną politykę energetyczną, ale nie boją się prywatnej inicjatywy w tej kwestii. „Wielka Czwórka” w Niemczech (E.On, Vattenfall, RWE, EnBW) generuje tylko ok. 11% energii zużywanej z OZE. W ponad 70% energia rozproszona jest generowana przez indywidualnych wytwórców.

Podobne technologie są dziś dostępne bez żadnych problemów w całym cywilizowanym świecie, tak więc brak dużej ilości tych instalacji na polskich dachach, fasadach i działkach jest spowodowany raczej brakiem satysfakcjonującej opłacalności tych projektów i niechęci zakładów energetycznych niż niedostępności technologii. Tak czy inaczej rozwoju tych instalacji w mojej opinii nie uda się już zatrzymać.

Damian Żabicki

Literatura:
1. Etapy Projektowania Instalacji Fotowoltaicznej. Analiza kosztów. http://www.oze.utp.edu.pl,
2. Photonlab.pl - Szkolenia z Fotowoltaiki,
3. Materiały informacyjne firm: Hoppecke Baterie Polska Sp. z o.o., Agnes-Elektromax, KMBC, Leria, MPL Energy, Nano Tech, OZEnergia.