Od lat jesteśmy bombardowani ostrzeżeniami przed globalnym ociepleniem, zatruwaniem środowiska i innymi negatywnymi wpływami cywilizacji na środowisko naturalne. Rozważając wyposażenie domu w instalację fotowoltaiczną autor zorientował się, że codziennie emituje około 2 kg dwutlenku węgla. Tak podają fachowcy. By wyprodukować i dostarczyć energię zużywaną w jego domu wytwarza się taką właśnie ilość CO2. Aby zapobiec degradacji przyrody musimy postawić na czystą energię. I jak najlepiej ją pozyskiwać.

Fot. 1. Przykład zestawu fotowoltaicznego podążającego za położeniem słońca. Fot.: SOLAR TRACKER POLSKA Fot. 1. Przykład zestawu fotowoltaicznego podążającego za położeniem słońca. Fot.: SOLAR TRACKER POLSKA

Energia słoneczna ciągle dociera na Ziemię, ale wykorzystujemy ją wciąż w niewielkim stopniu. A można ją przetwarzać m.in. na energię elektryczną. Także w Polsce. Wprawdzie w naszej szerokości geografi cznej nie możemy marzyć o takich uzyskach, jak na południu Europy. Ale jest jej wystarczająco dużo, aby przy właściwych rozwiązaniach opłacało się zainwestować w panele fotowoltaiczne.

Warto sięgnąć po rozwiązania KNX

Aby przedsięwzięcie miało sens ekonomiczny konieczne jest zapewnienie jak największego uzysku energii. A ilość energii zależy między innymi od ilości promieniowania słonecznego, kąta padania promieni, a także od temperatury paneli. Poza tym panele muszą być chronione przed uszkodzeniami i zapyleniem. Bardzo ważne są zabezpieczenia paneli i stałe monitorowanie ilości oddawanej energii. Wystarczy bowiem uszkodzenie jednego z połączonych szeregowo paneli, aby uzyskiwany prąd, a co za tym idzie, energia, została zredukowana do możliwości najsłabszego ogniwa w całym łańcuchu. Do tego służy także automatyka domowa. W szczególności stacja pogodowa oraz HomeServer, znane z systemu KNX, o czym pisaliśmy w poprzednim numerze FE. Za pomocą tych dwóch urządzeń można kontrolować wszystkie parametry meteorologiczne, a następnie przetwarzać je w HomeServerze i wysyłać rozkazy sterownicze do baterii paneli słonecznych.
Gira ostatnio wprowadziła stację pogodową, która idealnie nadaje się do sterowania nadążnymi panelami fotowoltaicznymi. Panele nadążne pozwalają na zwiększenie uzysku energii, co najmniej o 25 %. W ciągu doby ilość uzyskiwanej energii jest zmienna. Obrazuje ją krzywa Gaussa zaczynająca się zerową wartością. Aby panele zadziałały musi być dostarczona minimalna dawka energii. Rano i wieczorem, nie dość że promieniowanie jest znacznie słabsze, to jeszcze promienie padają pod ostrym kątem. Ustawiając panele pod odpowiednim kątem zapewnimy rozpoczęcie ich pracy wcześniej, co jest tym ważniejsze, że zwłaszcza w początkowej fazie szybciej narasta ich wydajność.

Optymalizacja

Kluczem do maksymalizacji wydajności baterii paneli PV jest obserwacja położenia słońca oraz monitorowanie wartości promieniowania globalnego. Stacja pogodowa Gira, oprócz podstawowych wielkości: pomiaru prędkości i kierunku wiatru, temperatury otoczenia, natężenia oświetlenia z czterech stron świata, informacji o zmierzchu, ciśnienia atmosferycznego, wilgotności względnej powietrza, pozycji geografi cznej, wysokości nad poziom morza i czasu wysyła do magistrali KNX także przetworzone wielkości dotyczące wilgotności bezwzględnej, położenia słońca i promieniowania globalnego. Te dwie ostatnie wielkości są szczególnie przydatne w eksploatacji nadążnych paneli fotowoltaicznych. Bezpośredni pomiar natężenia oświetlenia naturalnego umożliwia rzeczywiste wyznaczanie pozycji słońca i zapewnia płynne ustawianie paneli w taki sposób, aby promieniowanie słoneczne zawsze padało na powierzchnię paneli pod kątem prostym. W ten sposób można udoskonalić sterowania pozycją paneli dokonywaną za pomocą tabel. To jest zadanie dla HomeServera Gira, który w oparciu o program astronomiczny i tabele położenia słońca na bieżąco je koryguje i zapisuje w pamięci. Dzięki temu można porównywać dane z różnych lat. Oprócz porównywania tych samych dni kalendarzowych można także porównywać krótsze okresy produkcji energii, np. koncentrując się na okresach o identycznym promieniowaniu globalnym. Wszelkie znaczące odchylenia będą natychmiast sygnalizowane. W ten sposób można szybko usunąć awarię, zabrudzenia lub zlokalizować uszkodzenia. Kolejną funkcją HomeServera jest sterowanie siłownikami nadążnych paneli fotowoltaicznych z wyprzedzeniem. Skorygowane tabele położenia słońca pozwalają na przyjmowanie optymalnych pozycji w dokładnie obliczonym momencie. A stacja pogodowa jedynie potwierdza dane lub, w razie potrzeby, koryguje je. Zgodnie z wcześniej obliczonymi danymi panel jest obracany w stronę słońca oraz zmieniane jest jego nachylenie. Działanie z wyprzedzeniem jest w pełni uzasadnione, gdyż silnik obracający panel oraz siłowniki działają bardzo powoli. Na bieżąco dokonywane są jedynie niewielkie korekty. Precyzyjne zapisanie położenia w skali roku stale doskonali sterowania pozycją paneli i optymalizuje ich ustawienie w stosunku do słońca.
Dane ze stacji pogodowej są przetwarzane w HomeServerze wraz z danymi z urządzeń pomiarowych zainstalowanych na przewodach od paneli aż do falowników. HomeServer porównuje rzeczywisty uzysk energii przy określonym promieniowaniu globalnym z oczekiwanym oraz faktycznie otrzymanym we wcześniejszych okresach. Na podstawie napięcia i prądu płynącego z paneli oraz falownika można łatwo wywnioskować, czy dana bateria pracuje poprawnie. W przypadku obniżenia parametrów konieczna jest interwencja.

Rys. 1. Schemat systemu sterowania opisywanego w artykule Rys. 1. Schemat systemu sterowania opisywanego w artykule. Rys.: AUTORA

Poprawa bezpieczeństwa instalacji PV

Stacja pogodowa Gira wykorzystywana jest także do zabezpieczania paneli słonecznych przed uszkodzeniami. Jedną z częstych przyczyn uszkodzeń jest silny wiatr. Zwłaszcza porywisty. Silne podmuchy mogą spowodować uszkodzenia siłowników ustawiających panele lub mocowań. A w najgorszym wypadku także samych paneli. Wykrycie silnego wiatru, zwłaszcza w niesprzyjającym kierunku, spowoduje w instalacji sterowanej za pomocą systemu KNX ustawienie paneli w pozycji jak najbardziej przylegającej do podłoża. A panele chronione żaluzjami mogą zostać nimi osłonięte. Kolejnym problemem są zabrudzenia. Dotyczy to w szczególności miast i terenów przemysłowych. Ale także z dala od cywilizacji występuje na przykład pylenie drzew i innych roślin – powoduje to wyraźne obniżenie wydajności. Po rozpoznaniu przyczyny system może automatycznie włączyć spryskiwacze spłukujące zanieczyszczenia z paneli. Oczywiście czyni to nad ranem, kiedy panele nie są nagrzane. Dzięki temu nie występują naprężenia powodowane gwałtownymi zmianami temperatury. Stacja pogodowa może pomóc także zimą. Po rozpoznaniu opadu i utracie wydajności, panele co jakiś czas przyjmują pozycję zbliżoną do pionu, a zgromadzony śnieg zsuwa się z nich.
Kolejnym problemem powodującym utratę wydajności jest wzrost temperatury pracy. Podniesienie temperatury o jeden stopień Celsjusza powoduje utratę mocy o około 0,45%. Wtedy mogą samoczynnie włączyć się systemy chłodzące lub być rozpylana wodna mgiełka. System automatyki sam wybierze odpowiednie rozwiązanie zapewniające minimalizację strat.
Dzięki automatycznej obserwacji warunków meteorologicznych i monitorowaniu parametrów pracy paneli fotowoltaicznych od rana do wieczora panele pracują z najwyższą wydajnością, dostarczając zawsze najwięcej energii. Wszelkie awarie są natychmiast wykrywane i sygnalizowane. W szczególności zadziałanie zabezpieczeń, może być przez użytkownika niezauważone. Automatyka budynku natychmiast przełączy zasilanie na sieciowe. Całe wyposażenie budynku będzie pracować bez przeszkód. Ale energia będzie pobierana z sieci, zamiast z własnej baterii. System KNX powiadamia o takich zdarzeniach. Może to uczynić za pomocą paneli dotykowych, a także komunikatów wysyłanych do smartfonów, albo za pośrednictwem SMS-ów wysyłanych do zwykłych telefonów komórkowych.

Jeszcze inne korzyści

Opisane funkcje nie obejmują wszystkich zastosowań nowych stacji pogodowych Gira. Głównym determinantem jest wyposażenie techniczne budynku. Ale niemniej ważna jest inwencja projektanta. Mając do dyspozycji wiele danych pomiarowych można znajdować kolejne sposoby ich wykorzystania. Nie tylko w domach mieszkalnych, ale także w obiektach przemysłowych. Także do celów technologicznych. A sama stacja jest niewielka i wszystkie czujniki znajdują się w jednej półprzezroczystej obudowie. Łatwy montaż oraz odporność na czynniki zewnętrzne stanowią jej ważną zaletę. Aby móc teraz i w przyszłości skorzystać z jej możliwości należy, we wszystkich planowanych instalacjach, przygotowywać miejsca do jej montażu oraz instalację pozwalającą na jej przyłączenie do najlepiej dopracowanego systemu automatyki budynkowej, jakim jest system KNX.

Andrzej Dubrawski

Więcej na temat: