Obserwowany w okresie ostatnich kilku miesięcy gwałtowny wzrost cen paliw płynnych i brak optymistycznych prognoz dotyczących światowych zasobów paliw płynnych – to tylko przykładowe powody, dla których konieczność popularyzacji alternatywnych źródeł energii nie budzi w chwili obecnej żadnych wątpliwości, nawet w środowiskach dotąd sceptycznych

W Polsce obserwujemy stopniowy rozwój energetyki odnawialnej, jednak jej udział w ogólnym bilansie energetycznym kraju jest jeszcze niewielki i wynosi około 2%. By osiągnąć poziom 7% w 2010r. (zgodnie z postanowieniami protokołu z Kyoto i umów akcesyjnych) niezbędne jest ożywienie sektora energetyki odnawialnej i nadanie mu większej dynamiki rozwoju

Fotowoltaika – słoneczna energia elektryczna
Zainteresowanie generatorami fotowoltaicznymi wzrasta na całym świecie w tempie porównywalnym z tempem rozwoju mikroelektroniki. Wystarczy przytoczyć kilka danych liczbowych dla zilustrowania tego zjawiska. W 2003r. całkowita światowa produkcja modułów fotowoltaicznych, czyli podstawowych komponentów do budowy większych systemów, osiągnęła poziom 742 MWp, co w stosunku do roku poprzedniego dało przyrost 37%. Rok 2004 był jeszcze bardziej owocny. Przyrost produkcji modułów w stosunku do roku 2003 wyniósł 69,4%. Tak duża dynamika wzrostu sektora fotowoltaiki wynika z właściwości tego źródła energii. Systemy fotowoltaiczne przetwarzają bezpośrednio energię promieniowania słonecznego w energię elektryczną bez efektów ubocznych, takich jak zanieczyszczenia, hałas itp. Dodatkowym czynnikiem stymulującym wzrost zastosowań fotowoltaiki jest systematyczny spadek cen modułów, związany zarówno z dynamicznym rozwojem technologii, jak i wzrostem zapotrzebowania.

Systemy fotowoltaiczne
Generator fotowoltaiczny, złożony najczęściej z wielu modułów, stanowi centralną część każdego systemu. Celowe więc wydaje się poświęcić nieco uwagi klasyfikacji systemów PV, które w zależności od wyposażenia przeznaczone są do różnych zastosowań.

Wszystkie systemy PV mogą być podzielone na dwie zasadnicze grupy: systemy autonomiczne (ang. off-grid) oraz systemy dołączone do sieci (ang. grid-connected). Inna klasyfikacja to podział na systemy PV stacjonarne i orientowane w jednej lub w dwóch osiach względem aktualnego położenia Słońca. Oczywiście podziały systemów PV są liczne i bardzo różnorodne.
Końcową konfigurację każdego systemu fotowoltaicznego determinuje ostatecznie jego przeznaczenie. Warto z naciskiem podkreślić, że obszar zastosowań systemów PV jest praktycznie nieograniczony i zależy wyłącznie od inwencji projektanta i potencjalnego inwestora, zakładając, że potencjalne korzyści z określonego rozwiązania będą w dłuższej perspektywie czasowej większe od początkowych kosztów inwestycyjnych.

Katedra Automatyki AGH od 1990r. prowadzi prace badawcze związane z różnego rodzaju systemami fotowoltaicznymi o których była mowa wyżej. Celowe wydaje się przedstawienie w kilku zdaniach doświadczalnej stacji PV eksploatowanej w Katedrze Automatyki (Rys. 1).

Fotowoltaiczna stacja doświadczalna

Rys. 1. Fotowoltaiczna stacja doświadczalna eksploatowana w Katedrze Automatyki AGH – schemat

Powyższy schemat pokazuje praktycznie wszystkie systemy PV oraz dodatkowe wyposażenie pomiarowe i sterujące, niezbędne do prowadzenia pełnego monitoringu wszystkich interesujących parametrów zewnętrznych (natężenie promieniowania słonecznego, temperatura, wilgotność, prędkość i kierunek wiatru, ciśnienie) oraz parametrów wewnętrznych (napięcia, natężenia prądów, moce w rożnych miejscach systemu).

Zastosowania praktyczne wybranych układów PV
Zastosowania układów PV, jak już wcześniej wspomniano są praktycznie nieograniczone. Celem zilustrowania istoty funkcjonowania konkretnych rozwiązań, ograniczymy rozważania tylko do wybranych systemów stacjonarnych. Podstawowa konfiguracja takiego systemu pokazana jest na Rys. 2.

Podstawowa konfiguracja stacjonarnego systemu fotowoltaicznego

Rys. 2. Podstawowa konfiguracja stacjonarnego systemu fotowoltaicznego

Stacjonarny system PV złożony jest z kilku podstawowych bloków: generatora fotowoltaicznego składającego się z jednego lub kilku modułów o pożądanej mocy szczytowej, kontrolera ładowania nadzorującego proces ładowania akumulatora, akumulatora lub baterii akumulatorów, stanowiących magazyn energii elektrycznej, obciążenia stało- lub zmiennoprądowego oraz, w pewnych sytuacjach, generatora dieslowskiego, będącego pomocniczym źródłem energii. Rozmiar generatora PV zależy od obciążenia systemu i musi być dobierany na maksymalne przewidywane odciążenie. Oczywiście na etapie projektowania systemu należy rozstrzygnąć poziom napięcia pracy generatora: 12V, 24V dla systemów stałoprądowych. Kontroler ładowania jest urządzeniem elektronicznym o stopniu złożoności zależnym od funkcji, jakie pełni w systemie. Najczęściej jego zadaniem jest kontrola procedur ładowania i rozładowania baterii akumulatorów elektrochemicznych tak, aby zapewnić właściwe funkcjonowanie systemu w zależności od natężenia promieniowania słonecznego. Zapewnia więc odpowiednie połączenia pomiędzy generatorem PV, obciążeniem i baterią akumulatorów. Istotnym elementem systemu jest bateria akumulatorów, która musi być tak obliczona, aby zapewnić pożądaną autonomię systemu, tzn. musi zapewnić funkcjonowanie systemu niezależnie od warunków nasłonecznienia. Istotnym problemem dla projektanta systemu jest określenie ilości dni, w których niebo jest zachmurzone. Parametr ten silnie wpływa na rozmiar zarówno generatora PV, jak i magazynu energii w postaci baterii akumulatorów. W pewnych okresach roku, w naszej szerokości geograficznej, ilość godzin słonecznych w ciągu dnia jest bardzo mała i moc elektryczna generowana przez moduły PV jest niewystarczająca dla zapewnienia ciągłości funkcjonowania systemu. W takich sytuacjach może okazać się uzasadnione użycie pomocniczego źródła energii w postaci generatora Diesla, wyposażonego w odpowiedni prostownik (w systemach stałoprądowych).

Ochrona katodowa rurociągów
Dobrym przykładem przemysłowego systemu PV stacjonarnego może być system ochrony katodowej rurociągów. Problem jest niezwykle istotny i aktualny w Polsce choćby ze względu na istniejące rurociągi ropy i gazu, ten sam problem dotyczy również rurociągów wodnych i ciepłowniczych.

Korozji, tj. procesowi destrukcji konstrukcji stalowych pod wpływem reakcji chemicznych lub elektrochemicznych ulegają wszystkie konstrukcje metalowe, znajdujące się pod powierzchnią ziemi, czyli w środowisku elektrochemicznym. Ryzyko związane z korozją jest bardzo duże i wynika z możliwości choćby skażenia znacznych obszarów. Oczywiście klasyczne metody zabezpieczania konstrukcji przed korozją (różnego rodzaju pokrycia) podnoszą znacznie koszty eksploatacji np. rurociągów często powodując konieczność ich wyłączania z eksploatacji.

Najskuteczniejszą metodą walki z korozją jest ochrona katodowa. W praktyce, konstrukcja, która ma być chroniona połączona jest z biegunem ujemnym generatora fotowoltaicznego, natomiast biegun dodatni połączony jest z anodą pomocniczą umieszczoną w pewnej odległości od chronionego obiektu (Rys. 3).

Schemat systemu ochrony katodowej rurociągu

Rys. 3. Schemat systemu ochrony katodowej rurociągu

Przedstawiony na Rys. 3 system został nieco uproszczony ze względu na to, że podstawowym celem projektu było rozwiązanie problemu zasilania całego systemu, w oparciu o istniejące rozwiązania układów regulatora i przetwornika DC/DC.

Standardowe układy ochrony katodowej oferowane na rynku krajowym bazują na zasilaniu z sieci komercyjnych i wymagają pewnych modyfikacji, aby je przystosować do zasilania z ogniw słonecznych. Uzupełnienia wymaga blok oznaczony na rysunku jako „Regulator”, należy go rozbudować o układ ładowania akumulatorów oraz przystosować do zasilania prądem stałym. Może okazać się, że w układzie trzeba będzie zainstalować generator pomocniczy, co wymusi rozbudowę regulatora. Zasadniczym problemem jest jednak optymalne zaprojektowanie wielkości generatora fotowoltaicznego, czyli powierzchni modułów zasilających system oraz pojemność baterii akumulatorów, stanowiących magazyn energii systemu.

Przedstawiony wyżej przykład jest jednym z wielu, jaki został zaprojektowany i przetestowany w Laboratorium Automatyki, Robotyki i Systemów Fotowoltaicznych Katedry Automatyki AGH.

Jerzy A. Chojnacki, Katedra Automatyki AGH, Kraków

 

Cały artykuł – Fotowoltaika zestaw artykułów
fotowoltaika