Podstawowe pojęcia

Energia słoneczna. [26.12.2022/27.03.2024]

Najogólniej rzecz biorąc, energetyka słoneczna jest gałęzią przemysłu zajmującą się wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego, zaliczanej do odnawialnych źródeł energii, czyli takich, których wykorzystywanie nie wiąże się z długotrwałym ich deficytem, ponieważ ich zasób odnawia się w relatywnie krótkim czasie.
Takimi źródłami są słońce, wiatr, woda (rzeki, pływy i fale morskie), a także energia jądrowa w zamkniętym cyklu paliwowym, biomasa, biogaz, biopłyny oraz biopaliwa. Do energii odnawialnej zalicza się również ciepło pozyskane z ziemi (energia geotermalna), powietrza (energia aerotermalna), wody (energia hydrotermalna).

O ile wiele z wymienionych źródeł wymaga ustawicznej kontroli, aby nie zachwiać balansem zasobów całej planety lub nie zmienić równowagi pogodowej, energia słoneczna jest czymś, czego pobieranie nie zakłóca w żaden sposób ekosystemu. Oczywiście potężne farmy słoneczne to zupełnie inny temat, podobnie temat związany z produkcją i utylizacją paneli, ale w chwili obecnej nie ma takich źródeł energii, które nie wymagałyby procesów przemysłowych generujących jakieś efekty uboczne. Każde jedno urządzenie służące do generowania / przetwarzania energii musi zostać wyprodukowane z wcześniej przetworzonych odpowiednich materiałów i jedynie w gestii wielkich producentów leży to, aby procesy te w jak najmniejszym stopniu zagrażały środowisku planety.
Światło, które dociera do Ziemi ze Słońca, składa się z wielu różnych długości fal w widmie elektromagnetycznym. Z tego światła tylko około 42-43% jest widoczne dla ludzkiego oka. Jednak całe światło, nawet poza zasięgiem widzialnym dla ludzi, składa się z fotonów. Panele słoneczne działają na zasadzie przekształcania tych fotonów w energię, ale fotony z różnych rodzajów światła mają różne koncentracje energii. Fotony ze światła podczerwonego nie mają wystarczającej energii, aby wybić elektrony i wytworzyć przepływ elektryczny. A fotony ze światła ultrafioletowego mają zbyt dużo energii – nadal mogą wytwarzać przepływ elektryczny, ale dużo energii marnuje się w postaci ciepła. Ciepło to ogrzewa panele, co zmniejsza ich wydajność.
Zdecydowana większość paneli słonecznych jest wykonana z materiałów, które przetwarzają głównie światło widzialne ponieważ stanowi ono większość światła docierającego do Ziemi i ma wyższą koncentrację energii niż podczerwień (która również stanowi znaczną część światła docierającego do Ziemi). Istnieją także panele słoneczne wykonane z różnych materiałów, które najlepiej współpracują z innymi częściami widma elektromagnetycznego — np. światłem ultrafioletowym lub podczerwonym, a nie światłem widzialnym. Interesujący jest bilans energetyczny mocy docierającej do planety ze słońca. Do górnych warstw atmosfery Ziemi dociera promieniowanie słoneczne o natężeniu napromieniowania 1366 W/m². Około 30% tej mocy jest odbijane z powrotem w kosmos, a kolejne 20% jest pochłaniane przez atmosferę nagrzewając ją. Do powierzchni Ziemi dociera około 180 W/m². Moc ta nie jest oczywiście równomierna - obszar oświetlony światłem padającym prostopadle z góry może otrzymać do 1000 W/m².
Po uśrednieniu cyklu dobowego i rocznego najwięcej energii otrzymują obszary przy równiku, a najmniej obszary okołobiegunowe. Sumaryczna energia, jaka dociera do powierzchni poziomej w ciągu całego roku, wynosi od 600 kWh/m² w krajach skandynawskich do ponad 2500 kWh/m² w centralnej Afryce. W Polsce wynosi około 1100 kWh/m². Od razu widać jak to przekłada się na sprawność paneli, jeśli podzielić 1100 przez liczbę dni 365 a następnie przez 10 godzin (optymistyczny wariant pogodowy), to z 1m² można by uzyskać 300W mocy. Przy 20% sprawności paneli będzie to więc 60W, ale trzeba pamiętać, że jest to uśredniona moc dla całego roku, więc także zimy. Dlatego w miesiącach mocnego nasłonecznienia z 0.5m² można bez trudu uzyskać 100W mocy.
Podstawową zaletą pobierania energii ze słońca jest brak potrzeby stosowania ruchomych mechanizmów jak w przypadku innych „łatwych” źródeł energii (np. elektrownie wiatrowe) oraz całkowita cisza pracy takiej instalacji.
Można oczywiście zaprojektować stelaże do paneli tak aby podążały za słońcem zyskując w ten sposób w skali dnia nawet 20% więcej energii, jednak rosną tutaj koszty startowe takiej instalacji oraz koszty serwisowania.
W przypadku paneli zamocowanych na stałe trzeba jedynie dbać o ich względną czystość. Poza brakiem ruchomych części są też inne powody dla stosowania paneli słonecznych. Energetykę słoneczną wykorzystuje się coraz powszechniej ze względu m.in. na znaczny spadek cen tej technologii (200-krotny w latach 1977-2015), większą dostępność produktów, programy dofinansowania instalacji tego typu urządzeń, rosnącą świadomość ekologiczną oraz drastyczny wzrost cen energii pochodzącej z tradycyjnych źródeł.
Warto zajrzeć na bardzo ciekawą stronę badającą wydajność energetyczną słońca na wybranym obszarze lub nawet w konkretnym miejscu: Global Solar Atlas. Strona umożliwia oszacowanie zysku energetycznego z paneli fotowoltaicznych w zależności od położenia, nachylenia w pionie oraz kierunku montażu paneli, przy czym uwzględniana jest nawet temperatura powietrza w danych okresie (temperatura ma wpływ na wydajność paneli fotowoltaicznych).

Rodzaje paneli słonecznych. [26.12.2022/26.03.2024]

TOP

Można zauważyć, że potocznie za "panele solarne" uważa się instalację, która energię słoneczną wykorzystuje do podgrzewania wody. Właściciel mówiący "mam solary" ma raczej na pewno na myśli to co wyżej. Natomiast na panele wytwarzające prąd, potocznie nikt nie mówi panele tylko "mam fotowoltaikę". Można i tak, ale należy zwrócić uwagę że słowo "solarne" pasuje zarówno do jednych jak i drugich paneli, natomiast na tej stronie będą opisywane rozwiązania dotyczące paneli fotowoltaicznych.
Obecnie najbardziej popularne technologie w jakich wykonane są panele fotowoltaiczne to polikrystaliczna i monokrystaliczna. Są jeszcze ogniwa amorficzne, charakteryzujące się mniejszą wydajnością i żywotnością, ale za to cienkie i elastyczne (panele takie mogą więc pokrywać zaokrąglony dach przyczepy kempingowej).
Panele monokrystaliczne zawierają ogniwa grubowarstwowe I generacji (pojedyncze kryształy krzemu) o wysokiej wydajności (od 15 do 22%), wyróżniają się charakterystycznym czarnym kolorem i wyraźnym rombem między ogniwami. Cechują się wysoką trwałością, wydajnością i odpornością na warunki atmosferyczne. Wyższa cena wynika z czasochłonnego procesu produkcji, wymaga on m.in. wycięcia pojedynczych płytek krzemu z dużego bloku.
Takie ogniwa to dobry wybór dla ograniczonej powierzchni instalacji i silnego nasłonecznienia, najczęściej stosowane są w instalacjach komercyjnych.

Ze względu na sposób cięcia komórki monokrystaliczne po złożeniu tworzą wyraźny wzór małych diamentów. Mają też ciemniejszy wygląd niż komórki polikrystaliczne.
Efektywność produkcji prądu z paneli monokrystalicznych szacuje się nawet na 30 lat, w zakupie są one droższe od paneli polikrystalicznych.
Te drugie zawierają ogniwa I generacji złożonych z wielu kryształków krzemu, a ich wydajność jest szacowana między 12 a 18%. Rozpoznać je można po błękitnym kolorze i równomiernie rozłożonych płytkach, umieszczonych na powierzchni całego ogniwa. Produkcja polikrystalicznych ogniw słonecznych wymaga użycia stopionego krzemu. Takie podejście jest znacznie bardziej opłacalne niż technika stosowana w produkcji ogniw monokrystalicznych.
Panele polikrystaliczne mają nieco niższą tolerancję cieplną niż monokrystaliczne alternatywy. Ich niewątpliwymi zaletami są nieco niższa cena i dobra efektywność pracy (żywotność do ok. 25 lat). Mają one zmniejszoną wydajność przy słabym nasłonecznieniu, można jednak spotkać się z twierdzeniem, że są lepsze przy świetle rozproszonym, jakie najczęściej występuje z Polsce. Z tych właśnie powodów są najczęściej wybieranym rozwiązaniem.
O żywotności paneli należy mówić w skali wydajności, gdyż spada ona w trakcie upływu czasu i przykładowo polikrystaliczny po 10 latach może mieć 80% wydajności początkowej, a po kolejnych 10 już tylko 70%.
Kupując panel o mocy 110W (realnie 100W), po 10 latach możemy oczekiwać najwyżej 80W oddawanej mocy przy maksymalnym nasłonecznieniu. To i tak nieźle.
W panelach słonecznych degradacji ulega m.in. zewnętrzna struktura. Na degradację modułów ma wpływ: wilgotność, temperatura oraz efekty polaryzacji napięcia PID. Na żywotność paneli słonecznych ma wpływ oczywiście jakość użytych materiałów w produkcji, proces wytwarzania, jakość montażu czy pakowania paneli słonecznych. Dlatego warto zwrócić uwagę na producenta, renomowani producenci dbają o jakość swoich produktów, a stopień degradacji i gwarancji weryfikowany jest przez niezależnych doradców technicznych.

W przypadku modułów krystalicznych proces degradacji jest wyższy w pierwszych latach od początkowej ekspozycji na światło, a potem się stabilizuje. Obecnie średni stopień degradacji wynosi od 0.5% do 1% rocznie. W kontekście zakupów warto pamiętać (szczególnie podczas przeglądania ofert skośnookich przyjaciół), że nie ma możliwości aby panel dawał 100W mocy jeśli jego powierzchnia jest mniejsza niż 0.5m² (np. 100 x 50cm).
W praktyce, panel polikrystaliczny nie będzie tak błękitny jak na grafikach z internetu, najczęściej będzie to ciemny granat jak na kolejnym rysunku.
W temacie optymalizacji pobierania energii słonecznej warto wspomnieć także o panelach Bifacial. Są to panele montowane pionowo, posiadające ogniwa fotowoltaiczne na obu powierzchniach, dzięki czemu zbierają one światło w ciągu całego dnia i mimo że nie są ustawione prostopadle do padających promieni słonecznych, to w solarnych farmach sprawdzają się bardzo dobrze.
Zdarza się, że takie panele montowane są na dachach budynków (operatywność sprzedawców fotowoltaiki nie zna granic), trzeba wówczas dobrze sprawdzić ich parametry, wydajność i cenę w stosunku do paneli jednostronnych (wiadomo, że druga strona nie będzie działać a jej degradacja z upływem czasu będzie podobna do strony "aktywnej").

Rodzaje przetwornic. [27.12.2022/01.06.2023]

TOP

Przetwornica (może też być nazwana inwerterem lub falownikiem), w zakresie poruszanej tutaj tematyki, jest urządzeniem służącym do zmiany napięcia i przebiegu wyjściowego względem napięcia wejściowego. Może to być zarówno podniesienie napięcia np. z 12V stałego (DC) do 230V przemiennego (AC) jak i zmniejszenie np. z 60V stałego do 13.8V stałego.
W oparciu o zasadę działania przetwornic działają dobrze wszystkim znane urządzenia do podtrzymywania zasilania komputerów w razie awarii prądu (UPS). UPS zamienia napięcie i prąd stały z wewnętrznych lub zewnętrznych akumulatorów na napięcie i prąd przemienny umożliwiający zasilanie urządzeń które zwykle prąd czerpią z gniazdek elektrycznych. Ponieważ UPS pośredniczy między gniazdkiem a odbiornikami (komputer, telewizor) i bardzo szybko przełącza się na pracę z akumulatorów w razie zaniku zasilania w gniazdku, odbiorniki zwykle nie zauważą różnicy w zasilaniu i mogą pracować płynnie. Od tej zasady jest parę wyjątków, ale o tym dalej.
O ile UPS jest urządzeniem zawierającym w zasadzie dwie przetwornice (jedna ładuje akumulator w trakcie normalnej pracy z gniazdka sieciowego, druga przetwarza energię z akumulatora na 230V w razie zaniku napięcia w sieci) to można się zetknąć z bardzo wieloma urządzeniami, które są jednofunkcyjną przetwornicą.
Do takich urządzeń należą popularne przetwornice samochodowe, które są zasilane z gniazda zapalniczki i umożliwiają w trasie podłączenie odbiorników, które normalnie potrzebują zasilania sieciowego. To typowa przetwornica DC-AC o sprawności rzędu 70% i mocy do 500W. Mocniejsze urządzenia są także w sprzedaży jednak wymagają podłączenia bezpośrednio do akumulatora ponieważ gniazdo zapalniczki w samochodzie ma swoje ograniczenia i zbyt duży pobór prądu spaliłby albo kable w instalacji albo bezpiecznik na obwodzie tego gniazda.
Dlaczego prądy są tak duże? To wynika z prostego działania matematycznego – jeśli na wyjściu przetwornicy ma być 230V i 100W (prąd ok. 0.43A) to na wejściu przetwornicy będzie 12V (najczęściej 13.3V przy pracującym silniku) i 130W (przy sprawności ok. 70%). Pobór prądu z gniazda zapalniczki będzie w takim przypadku wynosił ok. 10A i prawdopodobnie jest to wartość graniczna, po przekroczeniu której spali się bezpiecznik zabezpieczający instalację.
Kolejnym bardzo popularnym rodzajem przetwornic są po prostu ładowarki telefonów z wyjściami USB. Tak, to też są przetwornice, które z kolei napięcie i prąd przemienny z gniazda sieciowego zamieniają na napięcie 5V i prąd stały, zasilający gniazdo ładowania telefonu.
W każdym z omawianych przypadków ważne są parametry napięcia wejściowego, wyjściowego oraz moc jaką jest w stanie przetwornica przenieść w sposób ciągły. Oczywiście dopuszczalne są chwilowe przeciążenia dla mocniejszych urządzeń (w przypadku ładowarek nastąpi blokada i odłączenie wyjścia w celu zabezpieczenia ładowarki czy telefonu) i są one bardzo istotne w przypadku konieczności zasilania takich urządzeń jak lodówka.
Sprawność, często podawana przez sprzedawcę lub producenta jako np. 90% jest w praktyce nieosiągalna i trzeba się z tym liczyć projektując całą instalację (marketingową wartość sprawności można osiągnąć w szczególnych przypadkach pomiarowych i raczej w krótkim czasie).
UWAGA – popularne, tańsze ładowarki solarne PWM nie są przetwornicami! Innymi słowy, nie przetwarzają wysokiego napięcia dostarczanego z paneli na niższe potrzebne do ładowania akumulatorów, one po prostu dostarczają tyle mocy na ile pozwala panel (regulacja w niewielkim zakresie polega na zmianie wypełnienia wyjściowego napięcia o przebiegu prostokątnym i jest to regulacja prądu a nie przetwarzanie napięcia). Natomiast prawdziwe ładowarki MPPT są już przetwornicami i powinny śledzić punkt maksymalnej mocy paneli i nie obciążać ich poniżej tego punktu. Jednak praktycznie wszystkie tanie wynalazki, nawet z napisem MPPT tego nie robią, obciążając panele do napięcia na akumulatorze co powoduje, że nie pracują one we właściwym zakresie mocy.
Można to bardzo łatwo sprawdzić mierząc napięcie na wejściu obciążonego regulatora/ładowarki solarnej. Jeśli panel w obwodzie otwartym ma napięcie rzędu 22V, a po podłączeniu do ładowarki solarnej (obciążonej na wyjściu akumulatorem, który ma się z niej ładować) spada do 12-14V to jest oczywiste, że urządzenie jest typu PWM. Ładowarka MPPT utrzyma napięcie z paneli w okolicach 18V.
O ile wszystkie wyżej opisane przetwornice są typu off-grid (wyspowe), ostatnim typem przetwornicy jest tzw. mikroinwerter. Jest to urządzenie pracujące pomiędzy panelem słonecznym (lub zespołem paneli), a bezpośrednio siecią zasilania 230V (określa się je także skrótem on-grid).
Jest to przetwornica przetwarzające stałe napięcie i prąd z paneli słonecznych na napięcie zmienne, którego przebieg jest idealnie zsynchronizowany z przebiegiem napięcia w sieci. Takie urządzenie wrzuca dodatkową moc w sieć nie powodując żadnych przeciążeń ponieważ z pełną precyzją dopasowuje się do kształtu napięcia przemiennego w gniazdkach. Z tego też powodu mikroinwerter potrafi startować nawet 2 minuty.
Takie przetwornice stosowane są w instalacjach nastawionych na oddawanie nadmiaru energii do dostawcy prądu elektrycznego z podpisaną odpowiednią umową i zainstalowanym odpowiednim licznikiem (tzw. prosumenci – oddaną nadmiarową energię z paneli mogą potem odkupić, gdy nie ma słońca, po odpowiednio niższej cenie).
Dlaczego mikro? Ponieważ są one znacznie mniejsze, niż falowniki obsługujące całą farmę paneli. Stosowanie większej liczby mikroinwerterów podłączonych do pojedynczych lub podwójnych paneli może być znacznie korzystniejsze niż stosowanie jednego urządzenia, bardzo dużej mocy. Ale na tej stronie raczej nie będą poruszane tematy związane z prosumencką produkcją energii, gdyż jest wiele profesjonalnych firm świadczących usługi od A do Z czyli instalacji, opomiarowania, dokumentacji i pośrednictwa w podpisywaniu odpowiednich umów z dostawcami energii elektrycznej. Zwykle są to duże instalacje i duże pieniądze.
Ponadto aktualnie sytuacja ustawowa jest bardzo dynamiczna i zmienia się stopniowo na niekorzyść prosumentów.

I tutaj pojawia się bardzo ciekawy typ przetwornicy hybrydowej, która może pracować zarówno w instalacji off-grid i on-grid. Jednocześnie może ładować akumulator zarówno z paneli jak i z gniazda sieciowego, może zasilać urządzenia bez udziału sieci energetycznej (z paneli bądź akumulatora), oraz dostarczać energię wprost do sieci. Jednak to co jest interesujące w tych konstrukcjach do czujniki zawarte z komplecie z urządzeniem. Czujnik taki (bezkontaktowy, na rysunku "limit sensor") montuje się na kablu zasilającym przetwornicę z gniazda sieciowego i steruje on przepływem energii tak aby jej nadmiar nie był wysyłany do dostawcy prądu i aby licznik nie nabijał niekorzystnych kW płynących "w złą stronę". Cena może nie jest niska, ale warto przyjrzeć się konstrukcjom od naszych skośnookich przyjaciół, gdyż takie urządzenie może za jednym zamachem wyeliminować wiele konstrukcyjnych dylematów.
Poniżej widoczna jest przykładowa, ciekawa przetwornica z możliwością ładowania akumulatora (jest to jakby uproszczona wersja UPSa, pod taką przetwornicę można podłączyć akumulator o dowolnej pojemności gdyż jej działanie opiera się na zakresie napięć z akumulatora - zwykle od 10V do 15V - poza tym zakresem przełącza się ona na zasilanie z sieci).

Magazynowanie energii. [30.12.2022/03.07.2023]

TOP

W omawianych tutaj przypadkach jako magazyny energii posłużą akumulatory.
Każdy kto ma samochód zna zastosowanie akumulatora oraz posiadane przez niego parametry. O ile w przypadku akumulatorów samochodowych, poza pojemnością, istotny jest maksymalny prąd chwilowy (służący do rozruchu silnika) o tyle w przypadku paneli solarnych prąd ten nie ma znaczenia, istotna jest natomiast liczba cykli akumulatora. Liczba cykli określa prawdziwą żywotność akumulatora, który z definicji ma akumulować energię aby można było ją używać, a nie tylko po to aby sobie w nim była.
Co to są więc te cykle? Otóż jest to liczba możliwych rozładowań i ponownych ładowań akumulatora nie obniżająca w drastyczny sposób jego pojemność. Jeśli już akumulator posiada opisaną przez producenta liczbę cykli powinien mieć jeszcze wyszczególnione do jakiej pojemności została ta liczba zmierzona. Może być bowiem podana liczba cykli, ale tylko dla 30% pojemności, albo dla 50% (rzadziej). Co to oznacza w praktyce – np. akumulator samochodowy o pojemności 50Ah, może się rozładować do 70% swojej pojemności, a następnie być ponownie naładowany do 100% około 200 razy. Tak, można z niego uzyskać 15Ah zaledwie 200 razy i to jak jest dobrej klasy. Rozładowując akumulator bardziej (np. zostawione włączone światła mijania) przykładowo do 0% pojemności, można te 200 razy skrócić do 5 razy. Dokładniej na czym to polega można poczytać tutaj (szkodliwe zasiarczenie).
Dla instalacji solarnych akumulatory samochodowe są raczej nieprzydatne (duże rozmiary, ciężar, mała liczba cykli, niepotrzebnie duży prąd zwarcia). Ale nie oznacza to, że nie można ich wykorzystać w pewnych przypadkach. Najczęściej jednak będą stosowane akumulatory żelowe lub AGM, litowo-jonowe, litowo-żelazowe (LiFePo4), litowo-tytanowe.
Żelowe i AGM to w praktyce nadal akumulatory kwasowo-ołowiowe, (tak jak samochodowy) z ulepszoną konstrukcją osadzania elektrolitu (AGM posiada płynny elektrolit w separatorze z maty szklanej, żelowy ma mniej płynny elektrolit bo jest on zmieszany np. z żywicami silikonowymi), natomiast pozostałe są już zupełnie innymi konstrukcjami. Możemy więc podzielić akumulatory na:

• Kwasowo ołowiowe z płynnym elektrolitem i koniecznością uzupełniania wody (liczba cykli ok. 200)
• Kwasowo ołowiowe AGM (liczba cykli ok. 400)
• Kwasowo ołowiowe żelowe (liczba cykli ok. 600, dla Deep Cycle ok. 1200)
• Litowo-Jonowe (Li-Ion) lub Litowo-Polimerowe (Li-Po) (liczba cykli od 600 do 1000)
• Litowo-żelazowe (LiFePo4) (liczba cykli od 2000 do 5000)
• Litowo tytanowe (LTO) (liczba cykli od 10 tys. do 100 tys.)

Jeśli by popatrzeć na ceny tych różnych technologii to przy tej samej pojemności będą się one mniej więcej podwajały (uwaga – podane ceny na rok 2022).

• 12V 100Ah samochodowy ~400zł
• 12V 100Ah żelowy – 800-1000zł
• 12V 100Ah litowo-jonowy (ten typ najczęściej trzeba własnoręcznie zmontować) - 2000-3000zł
• 12V 100Ah litowo-żelazowy – 2000-3000zł
• 12V 100Ah litowo-tytanowe – 5000-6000zł (tu również w grę wchodzi własna konstrukcja)

Szybki rzut oka na ceny i liczbę cykli może pokazać, że jeden akumulator LiFePo4 może być 2 razy tańszy niż 4 akumulatory żelowe, jeśli mają pracować z połową pojemności (cykle rozładowania do 50%).
Należy zwrócić uwagę na to, że akumulatory żelowe czy AGM zwykle stosowane są do pracy buforowej, czyli są podłączone do urządzeń, które raz na jakiś czas będą potrzebować ich energii, np. do centralek alarmowych czy sterujących drzwiami w biurze i do awaryjnego zasilania różnego rodzaju urządzeń. Oznacza to, że ich liczba cykli nie ma tutaj znaczenia bo w ciągu roku mogą być użyte zaledwie parę razy.
Warto też zauważyć, że akumulatory żelowe mają minimalny czas rozładowania 5h a AGM Deep Cycle 2h (chodzi o prąd rozładowania - tak aby nie doprowadzić do szybkiej utraty pojemności znamionowej).
Jeśli jednak założenie jest takie, że akumulatory będą ładowane z paneli słonecznych po to aby potem z tej energii korzystać to liczba cykli staje się ważniejsza niż wszystkie inne marketingowe cechy.
Dlaczego wyżej jest mowa o własnoręcznych konstrukcjach Li-Jon? Ogniwa litowo-jonowe powstały głównie dla urządzeń przenośnych i fabrycznie nie występują z tak dużymi pojemnościami, trzeba więc łączyć je zarówno szeregowo jak i równolegle aby uzyskać żądaną pojemność i napięcie (do kosztów należy doliczyć balansery). I chociaż są one montowane w samochodach elektrycznych to jest to już trochę przestarzała technologia i mało przyjazna dla środowiska (niska liczba cykli).
Akumulatory LTO są na tyle rzadkie, że ich ceny są wygórowane – lepiej w takim wypadku zakupić osobno ogniwa, balansery i złożyć wszystko w całość.
Nie sposób nie wspomnieć o wydajności prądowej akumulatorów i jej wpływie na pojemność.
Zwykle, te lepsze akumulatory mają określony parametr pojemności wraz z maksymalnym dopuszczalnym prądem, np. dla akumulatora AGM Deep Cycle 110Ah będzie to C20 (właściwie to 0.2C). W tym wypadku pojemność należy podzielić przez 20, odrzucić literkę h i otrzyma się maksymalny prąd, który nie obniży w znaczący sposób pojemność akumulatora – w opisywanym przypadku będzie to ok. 5A. Upraszczając – C oznacza prąd jednogodzinny, czyli 20C to prąd 20 godzinny.
Jak widać – potężny, prawie 30kg akumulator ma znaczne ograniczenie jeśli ma długo służyć z pełną pojemnością. 5A x 12V to zaledwie 60W mocy. I tutaj należy skierować wzrok na akumulatory LiFePo4 i LTO – umożliwiają one bowiem czerpanie pełnego (1C) lub większego prądu w sposób ciągły, bez narażania ogniw na spadek pojemności przy kolejnych cyklach. LTO w zależności od producenta potrafią oddawać prąd nawet 10C.
Ostatni ważny parametr to prąd ładowania. Nie można dowolnego typu akumulatora ładować dowolnym prądem gdyż prawie zawsze doprowadzi to do uszkodzenia. I tu znów górują wyżej opisane technologie.
O ile dla akumulatorów AGM, żelowych, bezpiecznym prądem ładowania jest 0.1C, a maksymalnym 0.3C (np. dla 12V 12Ah maksymalny prąd to 3.6A – jednak ładowanie takim prądem skraca jego żywotność) to dla LiFePo4 bezpiecznym prądem ładowania jest 0.5C do 1C (dla litowo-jonowych 0.2 do 0.5C poza specjalistycznymi, które przy niższej pojemności wytrzymują prąd do 40C), a dla LTO jest to nawet 2C (można spotkać, w zależności od producenta, nawet do 6C). Skutkuje to przede wszystkim możliwością dużo szybszego naładowania akumulatora przy wydajnym źródle prądu, niż w przypadku pozostałych technologii.

Ciekawostka 1.

Główna różnica między akumulatorami LiFePo4 a innymi typami akumulatorów litowo-jonowych polega na tym, że akumulatory LiFePo4 nie zawierają kobaltu (eliminując kwestie etyczne dotyczące pozyskiwania materiałów) i mają płaską krzywą rozładowania. Chemia akumulatorów oparta na tlenku litowo-kobaltowym jest bardziej podatna na niestabilność cieplną w przypadku przeładowania, a kobalt jest zarówno drogi, jak i trudno dostępny geograficznie.
Chemia litowo-jonowa zawierająca kobalt jest niestabilna ze względu na wyższą gęstość energii (150 do 200Wh/kg). Doświadcza niestabilności termicznej, ponieważ nagrzewa się szybciej podczas ładowania. Ten wzrost ciepła może wystąpić nawet wtedy, gdy bateria litowo-jonowa jest używana w normalnych temperaturach pokojowych, może bowiem pochłaniać ciepło z otoczenia lub innych pracujących układów elektronicznych wewnątrz urządzenia. Ponadto akumulatory litowo-jonowe zawierające kobalt są uważane za niebezpieczne, ponieważ kobalt jest substancją toksyczną. Może powodować poważne problemy zdrowotne, a także podrażnienie skóry i oczu.
(źródło: Źrodło: EPEC Engineered Technologies, Super B)

Ciekawostka 2.

Obecnie na świecie wykorzystuje się także inne sposoby na magazynowanie energii. Jednym z prostszych jest oczywiście podgrzewanie wody, ale ciężko z takiego akumulatora odzyskać prąd. Firmy energetyczne poszukując tańszych od elektrycznych akumulatorów rozwiązań, wykorzystują m.in. całe jeziora przepompowując wodę w górę w momencie gdy uzyskiwana energia przekracza chwilowe zapotrzebowanie sieci. W państwach gdzie jezior jest mało, jak np. Chiny, stosuje się magazyny sprężonego powietrza. W jednym i drugim przypadku w razie potrzeby "upuszcza" się zmagazynowane medium na turbiny generujące prąd. Jednak najbardziej interesującym sposobem z ostatnich czasów jest akumulacja grawitacyjna. Łatwo sobie wyobrazić niewielki model takiego akumulatora - prąd elektryczny z paneli zasila silnik elektryczny prądu stałego, który podnosi za pomocą przekładni duży ciężarek na określoną wysokość. W momencie gdy prąd z paneli zanika, ciężarek zaczyna się powoli opuszczać w dół, napędzając ten sam silnik elektryczny, który w tym momencie będzie pracował jako prądnica i generował do obwodu prąd elektryczny. W zastosowaniach na wielką skalę firmy energetyczne zwróciły uwagę na opuszczone kopalnie, które mają bardzo głębokie szyby i posiadają już podstawy konstrukcyjne do uruchomienia akumulacji energii (windy). Szyby opuszczonych kopalń są nieraz bardzo głębokie więc jest ogromny potencjał na gromadzenie i odzyskiwanie energii z przemieszczającego się w górę i w dół obciążenia. Jedną z firm zajmujących się rozwojem grawitacyjnej kumulacji energii jest szwajcarski startup Energy Vault dość mocno finansowany ze Światowego Forum Ekonomicznego.

Ciekawostka 3.

Bez wątpienia ciekawą przyszłość energetyczną mogą zapewnić ogniwa w nowej technologii Sodium-Ion (Sodowo-Jonowe).
Na stronie wikipedii można przeczytać:
Akumulator sodowo-jonowy – rodzaj akumulatora elektrycznego, w którym jako nośniki ładunku wykorzystywane są jony sodu (Na+). W roku 2009 akumulator był w fazie prac eksperymentalnych, jednak w przyszłości może się on okazać tańszą alternatywą dla obecnie powszechnie stosowanego akumulatora litowo-jonowego
oraz
Dotychczas odnotowano napięcie ogniw sodowo-jonowych wynoszące 3,6 V. Jednocześnie akumulatory te wykazały zdolność do utrzymania 115 mAh/g podczas 50 cykli ładowania i rozładowania, co oznacza pojemność równą około 400 Wh/kg. Mimo tego, ogniwa sodowo-jonowe są w dalszym ciągu niezdolne do utrzymania silnego ładunku po wielokrotnym ładowaniu i rozładowaniu. Po 50 cyklach większość akumulatorów sodowo-jonowych zachowuje jedynie 50% pierwotnej pojemności.
Jest to przedziwny zapis encyklopedyczny w świetle tego, że obecnie produkowane są już samochody napędzane tymi ogniwami.
Chiński CATL pochwalił się pierwszą generacją ogniw sodowo-jonowych i działającą z ich wykorzystaniem prototypową baterią. Od kilku lat różne ośrodki naukowe prezentowały wstępne wersje ogniw, tymczasem CATL chce do 2023 roku uruchomić łańcuch dostaw do ich produkcji. (...) Ogniwa sodowo-jonowe – co oczywiste – zamiast litu wykorzystują kolejnego członka grupy litowców, sód (Na). Sód jest jednym z najczęściej występujących pierwiastków w skorupie ziemskiej, znajdziemy go też w wodzie morskiej, jego pozyskanie jest znacznie łatwiejsze niż litu. Ogniwa Na-Ion są zatem tańsze w produkcji, przynajmniej gdy chodzi o surowce (źródło: CATL zaskakuje).
Wygląda na to, że wikipedia nie jest najaktualniejszym źródłem informacji, a tutaj dostępne dla każdego ogniwo ze znanego serwisu aukcyjnego.

Zasilanie awaryjne. [05.01.2023/23.03.2023]

TOP

O zasadzie działania przetwornic i UPSów można poczytać w rozdziale „Rodzaje przetwornic” natomiast tutaj przetwornice i UPSy zostaną podłączone do akumulatorów i zasilanych urządzeń.
Już na samym początku należy wspomnieć, że zarówno zwykłe przetwornice DC-AC jak i UPSy dzielą się ze względu na generowany przebieg napięcia przemiennego na wyjściu – będzie to albo czysta sinusoida (czyli kształt identyczny jak w gniazdku sieci elektrycznej) albo tzw. modyfikowana sinusoida.
W tym drugim przypadku w języku marketingowym będzie można spotkać także określenia: symulowana, schodkowa, aproksymowana, zbliżona, przybliżona, modyfikowana, zmodyfikowana, całkiem sporo określeń na coś czego raczej powinno się unikać. Oczywiście najbardziej popularne są UPSy z sinusoidą schodkową i nie ma problemów, jeśli chodzi o zasilanie komputerów i innych urządzeń z tej dziedziny jednak takie zasilacze awaryjne mogą tworzyć wiele zakłóceń i niekorzystnych zachowań urządzeń przez nie zasilanych, w sposób, którego nie będzie widać gołym okiem.
Aby przekonać się samodzielnie jaki przebieg generowany jest na wyjściu zasilacza/przetwornicy warto posiadać nawet prosty przenośny oscyloskop. I tutaj urządzenia z sinusoidą schodkową także mogą się między sobą różnić, będą bowiem takie, które mają czysty przebieg prostokątny na wyjściu, może się zdarzyć, że będzie piłokształtny, jednak im bliżej do kształtu sinusoidy tym lepiej (większa liczba schodków na przebiegu).
Dlaczego jest to tak ważne? Poza niekorzystnym wpływem schodkowej sinusoidy na niektóre urządzenia, chodzi także o zachowanie samej przetwornicy w przypadku zasilania urządzeń indukcyjnych lub posiadających pojemności na wejściu.
Są to dość skomplikowane zagadnienia mocy czynnej, biernej, pozornej, jednak istotne jest to, że taka przetwornica czy UPS będzie pobierać znacznie więcej prądu z akumulatora i zasilanie awaryjne w takim przypadku będzie bardzo kosztowne.
Aby samodzielnie przekonać się jaki wpływ ma rodzaj zasilanego urządzenia na prąd pobierany z akumulatora zasilacza UPS czy przetwornicy, warto posiadać dobry miernik prądu stałego / licznik mocy i włączyć go między akumulator i UPS. Może się okazać, że podłączenie samego zasilacza komputerowego (bez obciążenia) do wyjścia UPSa z sinusoidą schodkową spowoduje pobór prądu rzędu 4A czyli prawie 50W, ze względu na obwody filtrowania zakłóceń jakie są na wejściu zasilacza. I w ten sposób UPS będzie jak najbardziej podtrzymywał awaryjnie urządzenia jednak czas podtrzymania będzie zaskakująco krótki.
Innym niekorzystnym przypadkiem może być zasilanie lodówki – owszem lodówka da radę wystartować i będzie działać, jednak uzwojenia silnika kompresora mogą się niebezpiecznie przegrzewać i jej praca będzie nagle przerywana przez wyłącznik termiczny. Takie sytuacje nie występują przy czystym przebiegu sinusoidalnym.
Jednak przetwornice pure sine wave mają też pewne wady. Zalicza się do nich oczywiście wyższa cena, ale pobierają także znacznie większy prąd podczas pracy na biegu jałowym (bez obciążenia). O ile przetwornica schodkowa 500W na biegu jałowym będzie pobierać np. 0.5A prądu z akumulatora, to przetwornica z czystą sinusoidą na wyjściu może pobierać nawet 3A (w zależności od konstrukcji, sposobu generowania sinusoidy czy wielkości transformatora). Należy to wziąć pod uwagę projektując zasilanie urządzeń z energii zdobytej ze słońca.

Skomplikowana sytuacja polityczna na świecie w 2022 r. spowodowała skok cen urządzeń zasilania awaryjnego lub całkowitą niedostępność niektórych, warto jednak wspomnieć jeszcze o przetwornicach ECO, jest to nowa technologia, która łączy zalety czystej sinusoidy na wyjściu z niewielkim prądem na biegu jałowym, w zasadzie jest to stan czuwania.
Taka przetwornica próbkuje z określoną częstością obciążenie na wyjściu i jeśli pojawi się żądanie zasilania (np. od lodówki) wówczas uruchamia się ona z pełną mocą. Pobór prądu w stanie czuwania to ok. 0.15A. Jednak taka przetwornica służy w zasadzie do zasilania jednego urządzenia, jej konstrukcja powoduje, że jeśli podczas pracy zostanie podłączone w obwód kolejne urządzenie, przetwornica zrestartuje się co spowoduje chwilowy brak prądu na wyjściu.
Może to być całkowicie niedopuszczalne w pewnych przypadkach, np. dwie lodówki będą wzajemnie zakłócały swoją pracę, podłączenie w taki obwód komputera w ogóle nie wchodzi w grę, no i można sobie też wyobrazić gasnące na chwilę światło (jeśli jest w obwodzie podtrzymywania) gdy uruchamia się lodówka.
Podsumowując, w przypadku przetwornic istotne są następujące parametry:

• przebieg sinusoidy
• moc rzeczywista
• wytrzymałość na przeciążenia
• pobór prądu na biegu jałowym
• zdolność do dłuższej pracy (prawidłowe chłodzenie)
• stabilność napięcia wyjściowego przy różnych obciążeniach
• sprawność
• odpowiednie zabezpieczenia (przeciwzwarciowe, przeciwprzeciążeniowe, temperaturowe, przed zbyt wysokim i zbyt niskim napięciem na akumulatorze)

W przypadku UPSów do listy powyżej dochodzi także:

• możliwość zimnego startu – czyli uruchomienie urządzenia bezpośrednio z akumulatora przy podłączonym obciążeniu (normalnie UPS przełącza się bardzo szybko z zasilania sieciowego na akumulator)
• sprawność przy pracy z sieci
• szybkość przełączenia z zasilania sieciowego na akumulatorowe (dobre wartości to do 10ms)
• mile widziany jest wyświetlacz z czytelną prezentacją najważniejszych parametrów pracy
• możliwość podłączenia dodatkowych akumulatorów i kalibracja UPSa aby potrafił z nich skorzystać.

Ostatni parametr na powyższej liście może wydawać się dziwny jednak są urządzenia UPS (np. Eaton), które mają zaprogramowane wewnętrznie jakie akumulatory powinny być podłączone i nawet jeśli użyte zostaną inne z większą pojemnością nie zostanie ona wykorzystana, ponieważ UPS poza kontrolą napięcia na akumulatorach liczy pobraną energię i wyłącza się po osiągnięciu zaprogramowanego limitu, mimo że akumulatory mogą mieć jeszcze sporo energii. Niestety te UPSy nie posiadają w oprogramowaniu możliwości kalibracji (do posiadających zaliczają się np. urządzenia firmy APC).
Należy wziąć pod uwagę także czas pracy na akumulatorach przy zakładanym obciążeniu. Kolejna ilustracja bardzo ciekawie pokazuje jak może się zmienić czas pracy UPSa przy wzroście obciążenia. Przykładowo Bluewalker 850 na obciążeniu 85W będzie działać ok. 30 minut, ale na obciążeniu 390W (4.5 x większym) już tylko 3 minuty (10 x krócej).
Wynika to z wydajności prądowej akumulatorów o czym było wyżej, w artykule Magazynowanie energii, akumulatory.
W kontekscie zasilaczy UPS warto wspomnieć także o współczynniku mocy (power factor). Przeglądając oferty różnych modeli można zauważyć, że najczęstszym współczynnikiem mocy jest 0.6, np. podawana moc UPSa to 700VA/420W. Oczywiście najbardziej widoczny będzie w ofertach ten pierwszy parametr, niemniej można znaleźć ciekawe modele, które mają pf=0.9, a droższe rozwiązania on-line nawet pf=1. O co więc chodzi?
Współczynnik mocy (pf) to różnica między rzeczywistą zużytą energią (w watach) a mocą pozorną (wolty pomnożone przez ampery) w obwodzie prądu przemiennego. Jest obliczany jako ułamek dziesiętny lub procent pomiędzy 0-1 pF lub 0-100%, tj. 0.9 pF = 90%. Im współczynnik mocy jest bliższy jedności, tym bliższa jest faza dwóch przebiegów, a urządzenie przetwarza energię wydajniej, dlatego współczynnik mocy odnosi się do sprawności zasilacza UPS. Konwencja stanowi, że obciążenia indukcyjne definiuje się jako dodatnią moc bierną, a obciążenia pojemnościowe jako ujemną moc bierną. Ale współczynnik mocy nigdy nie jest opisywany jako dodatni lub ujemny, jest albo opóźniony, albo wiodący.
Opóźniony współczynnik mocy.
Są to obciążenia, w których kształt fali prądu jest opóźniony w stosunku do napięcia o współczynnik równy reaktancji obciążenia, zwykle między 0.5 a 0.95.
Współczynnik mocy jedności.
Obciążenia o współczynniku mocy równym jedności (pf=1) mają przebiegi prądu i napięcia zgodne ze sobą w fazie.
Wiodący współczynnik mocy.
Obciążenia z wiodącym współczynnikiem mocy mają przebieg prądu, który wyprzedza napięcie o współczynnik równy reaktancji obciążenia, zwykle między 0.8 a 0.95.
Tradycyjnie systemy UPS były projektowane do obsługi obciążeń o jednostkowym lub opóźnionym współczynniku mocy. Jednak nowoczesne zasilacze bezprzerwowe mogą także obsługiwać wiodące współczynniki mocy. Wymaga to jednak starannego planowania podczas instalacji, ponieważ wiodące współczynniki mocy mogą spowodować przeciążenie UPS, którego może on nie rozpoznać. Istnieje kilka sposobów na zmniejszenie wpływu wiodących współczynników mocy, w tym zwiększenie rozmiaru transformatora w zasilaczu UPS, ale najczęstszym podejściem jest użycie aktywnych filtrów harmonicznych z korekcją współczynnika mocy na wyjściu (słynne PFC w zasilaczach komputerowych). Zapewnia to bardziej akceptowalne obciążenie zasilacza UPS, ale zmniejsza wydajność i zwiększa koszty.

Moc bierna, czynna, pozorna. [27.09.2023]

TOP

Urządzenia elektryczne do prawidłowego funkcjonowania potrzebują mocy czynnej oraz biernej. Wypadkowa układu wektorów tych mocy daje moc pozorną, widoczną często na tabliczkach znamionowych jako [VA]. Jak widać na obrazku, im wyższa, wspomniana w poprzednim artykule o UPSach, moc pozorna, tym większa szkodliwa (mimo, że jest ona potrzebna) moc bierna.
Moc czynna – użyteczna, służy do przetworzenia energii elektrycznej na energię mechaniczną lub cieplną i wyraża się ją w watach [W].
Moc bierna – jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania urządzeń elektrycznych na prąd przemienny. Jednostką mocy biernej jest [Var] i bierze ona udział w wytwarzaniu pól magnetycznych lub elektrycznych w urządzeniach indukcyjnych czy w procesach magazynowania energii.
Energię bierną można podzielić na indukcyjną i pojemnościową.
Pojemnościowa pojawia się gdy w obwodzie urządzenia dominują kondensatory. Wytwarza się ona także w przewodach o znacznych długościach, ze względu na pojemność przewodów, które po podłączeniu napięcia musza naładować się jak kondensator, pobierając moc bierną pojemnościową.
Do niedawna najbardziej powszechną energią bierną była ta rodzaju indukcyjnego, związana z maszynami elektrycznymi posiadającymi uzwojenia, a więc np. silniki czy transformatory.
Na czym to polega? Energia bierna jest pobierana ze źródła w części okresu przebiegu przemiennego, magazynowana przez odbiornik (w postaci energii pola elektrycznego lub magnetycznego) i oddawana do źródła w innej części okresu, co jest związane z zanikiem pola w odbiorniku, w związku z czym krąży ona w sieci elektroenergetycznej, wpływając na jej obciążenie. Operator systemu dystrybucyjnego ponosi straty z powodu mocy biernej, ponieważ zmniejsza ona przepustowość linii przesyłowych, zwiększa straty w transformatorach, powoduje spadki napięć w sieci dystrybucyjnej.
Moc bierną można kompensować podłączając w obwody urządzenia generujące przeciwstawny rodzaj tej mocy, tak aby wzajemnie się znosiły.
I tak dla potężnych silników można stosować równolegle podłączone baterie kondensatorów, w przemysłowych warunkach są one dodatkowo sterowane za pomocą przekaźników i w zależności od aktualnej wartości mocy biernej indukcyjnej podłączane są kolejne stopnie kondensatorów.
W przypadku mocy biernej pojemnościowej (np. przetwornice dużej mocy, UPSy, duże biura komputerowe) należy stosować szeregowo włączone dławiki mocy biernej. Niestety ten przypadek jest znacznie gorszy ponieważ materiały do produkcji dławików dużej mocy są znacznie droższe, a same dławiki wielkie i ciężkie. Dodatkowo dla sieci trójfazowych wszystko mnoży się razy trzy.
W związku z powyższym należy pamiętać o tym problemie w kontekście stosowania instalacji solarnych szczególnie, że sytuacja na rynku energii zmienia się dynamicznie i może się okazać, że dostawcy energii wyciągną ręce po dodatkowe pieniądze za pobraną moc bierną.