W dzisiejszych czasach brak połączenia z siecią energetyczną nie oznacza braku elektryczności. Niezależnie czy znajdujemy się w górach, na pustyni, głęboko w lesie lub innym miejscu które z jakiegoś powodu pozbawione jest połączenia z siecią energetyczną jesteśmy w stanie w pełni korzystać z dobrodziejstwa jakie niesie elektryczność. Umożliwiają to rozwiązania oparte na odnawialnych źródłach energii.

Systemy tego typu, zwane wyspowymi (ang. Off-grid), pozwalają na wytworzenie, gromadzenie a następnie na dystrybucję energii elektrycznej w żądanym obszarze. Umożliwia to całkowite uniezależnienie się od dostaw energii i kosztów operatorów świadczących usługi w tym zakresie.

Źródłem energii elektrycznej w systemach wyspowych mogą byś moduły fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe, turbiny wodne lub też agregaty na paliwo ciekłe. Energia wytwarzana podczas pracy tych urządzeń gromadzona jest w bateriach przystosowanych do pracy w systemie wielokrotnego i głębokiego rozładowania. Proces ładowania akumulatorów nadzorowany jest przez kontrolery ładowania pozwalające na zachowanie odpowiednich parametrów ładowania akumulatorów, a w konsekwencji na znaczne zwiększenie żywotności całego systemu. W dalszej kolejności zgromadzona energia jest przetwarzana na postać wymaganą do zasilenia urządzeń elektrycznych. W tym celu wykorzystuje się falowniki zwane również inwerterami, pozwalające na uzyskanie parametrów standardowej sieci elektrycznej.

Kliknij aby powiększyć

Przykładowe rozwiązanie systemu off-grid

Koszty budowy systemu wyspowego ograniczone są do zakupu i instalacji odpowiednio dobranych urządzeń. Eksploatacja prawidłowo skonfigurowanego systemu pozwala na wieloletnią bezawaryjną pracę.

Znaczna liczba systemów opartych na odnawialnych źródłach energii dostarcza energię bezpośrednio do sieci elektrycznej. Systemy tego typu noszą nazwę On-grid . Są to nowoczesne elektrownie których praca regulowana jest odpowiednimi przepisami prawa.

Wyprodukowana energia może być zużyta do zasilania urządzeń w ramach określonej instalacji, a nadmiar przekazany bezpośrednio do publicznej sieci energetycznej.

Instalacje tego typu zbudowane są zę źródła energii ,czyli: modułów fotowoltaicznych, turbin wiatrowych lub wodnych, oraz inwertera zamieniającego napięcie stałe na postać przemienną o parametrach publicznej sieci elektryczne.


Przykładowe rozwiązanie systemu sieciowego opartego na fotowoltaice i inwerterze sieciowym SMA

Kolektor słoneczny to urządzenie do konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło. Energia docierająca do kolektora zamieniana jest na energię cieplną nośnika ciepła, którym może być ciecz (glikol, woda) lub gaz (np. powietrze)

Turbiny wiatrowe (wiatraki) to zespół urządzeń, które przekształcają darmową energię kinetyczną wiatru na energię elektryczną. Uzyskana w ten sposób energia jest czysta, a do jej wytworzenia nie jest wymagane użycie jakiegokolwiek paliwa.

Turbiny wiatrowe można wykorzystać do zasilenia w energię elektryczną takich obiektów jak:

• domki letniskowe,
• pola biwakowen, namiotowe,
• przyczepy kempingowe
• jachty,
• domów, które są w znaczenj odległości do sieci energetycznej.

Inwestycje w turbiny wiatrowe szczególnie są opłacalne tam, gdzie doprowadzenie energii jest zbyt kosztowne. Montując takie elektrownie, można całkowicie uniezależnić się od zakładów energetycznych. Wiatraki małej mocy doskonale współpracują z fotoogniwami (pv) w tzw. układzie hybrydowym, gdyż ładowanie akumulatorów występuje z dwóch niezależnych źródeł: słońca i wiatru.

Wykorzystanie energii wiatru do produkcji energii elektrycznej pozwala na osiągnięcie szeregu korzyści ekologicznych, społecznych i gospodarczych.

Biorąc pod uwagę poprawną pracę naszych urządzeń musimy dobrać odpowiednią przetwornicę. Istotnym czynnikiem jest właśnie sygnał podawany na urządzenia. Należy zapoznać się z jakiego typu odbiornikami mamy do czynienia. Sygnał z przetwornicy o pełnej sinusoidzie jest idealnym rozwiązaniem ponieważ jest to sygnał identyczny do tego jaki jest dostarczany przez zakłąd energetyczny w sieci (a nawet lepszy ponieważ nie ma aż takich wachań wartości amplitudy napięcia i częstotliwość, parametry są stabilne) więc jeżeli chcemy kupić przetwornicę o takim sygnale wyjściowym to nie musimy obawiać się o pracę naszych urządzeń. Każde urządzenie będzie pracowało poprawnie. Niestety przetwornice z sinusoidą pełną są o wiele droższe od tych z sinusoidą modyfikowaną dlatego zwykły użytkownik zadaje sobie pytanie czy przypadkiem taka przetwornica nie będzie dla niego lepsza. To zależy co rozumiemy przez słowo lepsza... napewno jężeli chodzi o cenę to tak, będzie lepsza ale jeżeli chodzi o pracę urządzeń zasilanych niekoniecznie.

Na poniższym rysunku widać jakie są różnice między sygnałem sinusoidy pełnej a modyfikowanej.


Jeżeli mamy do zasilenia urządzenia typu odkurzacz, wiertarka, pralka, pompa czy inne urządzenia indukcyjne to niestety przy zastosowaniu tańszej przetwornicy czyli z sygnałem modyfikowanym nie będą one działąły poprawnie a w niektórych przypadkach mogą one się nawet nie włączyć. Silniki będą buczały, wydawały dziwne odgłosy, drgania, i nigdy nie uzyskają odpowiednich obrotów. Do takich urządzeń możemy stosować przetwornice tylko i wyłącznie z pełną sinusoidą.

Inaczej sytuacja przedstawia się ze sprzętem AGD RTV, który do swojej pracy w większości przypadków nie wymaga pełnej sinusoidy. Urządzenia te i tak mają wbudowane zasilacze impulsowe, które zamieniają napięcie sieciowe 230V AC na napięcie niższe potrzebne do zasilenia podzespołów elektronicznych wykorzystanych do budowy danego urządzenia. W takim wypadku możemy zastosować przetwornicę modyfikowaną. Jednak w każdym wypadku kiedy nie jesteśmy pewni należy zapytać sprzedawcę czy np. kupowany telewizor może być zasilany z przetwornicy o sinusoidzie modyfikowanej (aproksymowanej) ponieważ mógł tam zostać wbudowany zasilacz innego typu, który nie będzie pracował odpowiednio na sinusoidzie aproksymowanej.

Z przetwornicy z sinusoidą aproksymowaną bez problemu możemy zasilać oświetlenie LED, świetłówki, zasilacze LED, komputery, ładowarki telefonów. W przypadku innych urządzeń należy pytać przy zakupie jaki sygnał sinusoidy jest wymagany do poprawnej pracy urządzenia.

Jednostką energii najczęściej używaną przez użytkowników jest kWh, z tego względu, że rozliczamy się na jej podstawie z zakładem energetycznym za zużytą ilość energii. Ze względu na to, że klienci często nie rozróżniają mocy urządzenia i energii jaką pobiera te urządzenie w czasie oraz tego w jaki sposób można przekalkulować zużycie energii przez nasze odbiorniki, przedstawiamy jedyny sposób na jej przeliczenie.

Dla osób, które nie znają podstaw elektrotechniki przybliżymy definicję mocy:

Moc urządzenia (P) - każde urządzenie elektryczne posiada parametr mocy określowy w jednostce W (wat).
Moc jest to praca wykonana w danym czasie. Innymi słowy podana na urządzeniu jest to ilość energii pobieranej przez urządzenie w danej chwili (jednostce czasu). Na tabliczkach znamionowych urządzeń podawane są różne moce, moc maksymalna Pmax, moc minimalna Pmin, moc nominalna Pnom itd.

Moc podawana jest w różnych jednostkach np, W (wat), kW (kilowat), MW (megawat), GW (gigawat)
Przeliczanie jest bardzo proste

100W = 0,1kW
1 000W = 1kW
10 000W = 10kW
100 000W = 100kW
1 000 000W = 1 000kW = 1MW
1 000 000 000W = 1 000 000kW = 1 000MW = 1GW

Pobierana energia elektryczne kWh
Jeżeli nasze urządzenie o mocy P = 100W przcuje przez pełną godzinę to zużyje 100Wh czyli 0,1kWh energii elektrycznej.

I tak np urządzenia o mocach podanych w pierwszej kolumnie pracujące przez pełną godzinę zużyją:

200W = 0,2kWh
1 000W = 1kWh
1 500W = 1,5kWh
10 000W = 10kWh

Podobnie przedstawia się sytuacja w przypadku energii jaką wyprodukują moduły fotowoltaiczne oraz turbiny wiatrowe. Jeżeli zainstalujemy moduł fotowoltaiczny o mocy 100W i będzie on pracował z pełną mocą przez godzinę to wyprodukuje 100Wh czyli 0,1kWh energii elektrycznej.
 

Dioda jest półprzewodnikiem optoelektronicznym emitującym światło widzialne, podczerwieni lub utrafioletu. Symbol diody LED


Na rynku dostępne są różnego rodzaju diody jednak my skupimy się na diodach mocy. Są one ostatnio najbardziej popularne ze względu na swoją wydajność świetlną a co za tym idzie szerokie zastosowanie w technice oświetleniowej.

Jak sama nazwa wskazuje opisywane diody są o wiele mocniejsze od innych typów LED. Ich wydajność świetlna ciągle rośnie i w tym momencie w śród dostępnych diod na rynku sięga 139lm/W. Power LED potrzebują nieco innego zasilania niż diody przewlekane. Nie możemy ich sterować napięciowo. Diody mocy wymagają ograniczenia prądowego ponieważ bez takiego ograniczenia w miarę przyrostu temperatury pobierałyby coraz to więcej mocy, przez co skracałaby się ich żywotność. Typowe prądy sterowania diodami mocy to 350mA, 700mA, 1050mA, 1400mA. Oczywiście możliwe jest sterowanie diody prądem innym niż podane wcześniej. Jednak dostępne na rynku drivery LED czyli zasilacze stałoprądowe są produkowane z typowymi parametrami. Dostępne są również drivery umożliwiające płynną regulację prądu dzięki czemu możemy sterować jasnością świecenia diody od minimum do maximum. Napięcie jakie jest potrzebne do zasilenia diody mocy jest niskie i mieści się w przedziale 3-5V oczywiście dla typowych rozwiązań. Jak napewno każdy zauważył diody mocy są najczęściej na "podstawkach", są to aluminiowe płytki służące do odprowadzania ciepła ze złącza diody. Power LED mają bardzo wysoką temperaturę pracy w związku z tym wymagają odpowiedniego chłodzenia. Jeżeli dioda będzie pracowała w zbyt wysokiej temperaturze to napewno skrócimy jej żywotność ale i nie uzyskamy porządanych parametrów świetlnych co widać na jednym z poniższych wykresów.

Najważniejsze parametry na jakie powinniśmy zwórić uwagę w karcie katalogowej diody to zależności napięcia od prądu, temperatury od prądu, luminancji od temperatury oraz luminancji od prądu sterowania.

Kliknij aby powiększyć





















Powyższy wykres wskazuje jak zmienia się napięcie wraz ze wzrostem prądu sterowania.

Kliknij aby powiększyć

Powyższy wykres przedstawia zmiany luminancji w zależności od prądu sterowania diody. Jak widać na przykłądzie tej diody jest ona najbardziej wydajna przy prądzie sterowania 350mA. Dwukrotnie wyższy prąd nie daje dwukrotnie wyższych wartości luminancji.

Kliknij aby powiększyć

Powyższa charakterystyka przedstawia procentowe zmiany luminancji w zależności od temperatury złącza. Przesterowane diody nie mają takiej wydajności jaka jest dla wartości typowych zadanych przez producenta.
Podsumowując powyższe charakterystyki, nie warto jest zasilać diod mocy powyżej ich typowych parametrów. Przedstawiane charakterystyki należą do diody CREE XPG 1W. Sterowanie jednowatowymi diodami na 2W lub 3W mija się z celem i nie przynosi większych efektów.

Diody Power LED znajdują zastosowanie wszędzie tam gdzie jest np mało miejsca a potrzeba dużo światła jednak źródło tego światła powinno być bardzo energooszczędne. np latarki, lampy solarne, wszelkiego typu podświetlenia reklam, oświetlenie pojazdów, oświetlenie akcentowe czy nawet oświetlenie przeszkodowe.

Przy zastosowaniu oświetlenia LED należy pamiętać, że światło emitowane jest światłem kierunkowym. Oświetlenie za pomocą LED bez zastosowania optyki jest bez sensu. Po pierwsze tracimy sporą część światła przez jego rozproszenie a po drugie powierzchnie oświetlane nie są oświetlone równomiernie. Na szczęście na rynku pojawiło się wielu producentów soczewek do diod mocy więc są możliwości do tworzenia najbardziej nietypowych rozwiązań.

Producenci, najbardziej renomowane marki:
CREE, Seoul Semiconductors, Osram Opto Semiconductors, Philips Lumileds, Nichia i wielu producentów chińskich, mniej znanych jednak wytwarzających ogromne ilości Diod walcząc o klienta ceną niekoniecznie jakością.

Systemy oparte na odnawialnych źródłach energii umożliwiają dowolną konfigurację stosując dowolne urządzenia. Dobrze zaprojektowany system umożliwia późniejszą jego modernizację czyli np. dodanie kolejnych elementów bez negatywnego wpływu na pozostałę elementy systemu. przedstawiamy kilka schematów podłączenia systemów typu off-grid ponieważ w naszym kraju jak na razie tylko na takie systemy możemy sobie pozwolić w przypadku instalacji przydomowej.

System solarny
System solarny oparty jest wyłącznie na fotowoltaice (panelach słonecznych). Głównym elementem są panele słoneczne. Generują one prąd, który musi być kontrolowany przez regulator ładowania. Dlaczego? Ponieważ bezpośrednie podłączenie modułów fotowoltaicznych do akumulatorów wiązałoby się z ich uszkodzeniem. Moduły fotowoltaiczne pracują przy napięciach ok. 17,5V dla systemów 12V oraz przy napięciach 36V dla systemów 24V. Regulator ładowania zabezpiecza akumulator przed przeładowaniem ale również zabezpiecza przed niewłaściwym ładowaniem akumulatorów. Dobre kontrolery ładowania mają zaprogramowane różne tryby ładowania akumulatorów. Nie zalecamy korzystania z regulatorów ładowania bez sygnału wyjściowego PWM. Odpowiednie kontrolery mają funkcję doładowywania akumulatorów w momencie kiedy napięcie akumulatorów jest wyższe. Tzw. ładowanie uzupełniające wydłuża żywotność akumulatorów, nie zmienia ich pojemności oraz umożliwia zgromadzenie właściwej ilości energii. Kontrolery bez Sygnału PWM ładują akumulatory pełną mocą przez cały czas i przestają dopiero kiedy napięcie max. na akumulatorze zostaje osiągnięte. Takie ładowanie jest szkodliwe dla akumulatorów. Parametry ładowania powinny się zmieniać w trakcie ładowania i powinny być uzależnione od poziomu naładowania akumulatorów. Skoro przeszliśmy do akumulatorów to warto wspomnieć i o nich. Przy doborze akumulatorów należy kierować się prądem jaki wygenerują nasze moduły. Każdy akumulator posiada parametr max prądu ładowania. Generalnie jest to wartość 10% pojemności akumulatora, czyli np akumulator o pojemnośći 80Ah posiada znamionowy prąd ładowania 8A. W przypadku akumulatorów żelowych bardzo często te prądy są wyższe. Przekroczenie znamionowego prądu ładowania wiąże się ze skróceniem jego żywotności i obniżeniem jego parametrów pracy. Należy również przeliczyć odpowiednią pojemność akumulatora pod obciążenia aby akumulator nie był za szybko rozładowywany ponieważ również i przez to możemy skrócić jego żywotność.
Taki zestaw mógłby już posłużyć do zasilania odbiorników działających na stałe napięcie DC. Jednak najczęściej wykorzystujemy urządzenia zasilane napięciem 230V AC więc do tego systemu musimy zastosować odpowiednią przetwornicę. W jednej z zakładek pomocy wyjaśniamy jaki sygnał powinna mieć przetwornica aby urządzenia pracowały prawidłowo. Dobieramy przetwornicę również pod kątem odbiorników jakie chcemy zasilać biorąc pod uwagę ich moc. Należy pamiętać aby nie przesadzać z mocą przetwornicy i podłączonych do niej odbiorników. Oczywiście można podłączyć przetwornicę 3000W do akumulatora 80Ah ale przy pełnym obciążeniu nie popracuje ona długo a i akumulatory po jakimś czasie zostaną uszkodzone.

Kliknij aby powiększyć

Przykłądowy schemat  systemu solarnego

System wiatrowy
System wiatrowy opiera się na turbinie wiatrowej, akumulatorach i przetwornicy. Aby turbina wiatrowa mogła odpowiednio ładować akumulatory, wymagany jest kontroler ładowania tak jak w przypadku fotowoltaiki. Jednak ni każdy kontroler ładowania jedt przeznaczony do każdej turbiny. Podstawowym parametrem jest moc kontrolera, nie może być ona za niska w stosunku do mocy turbiny. Napięcia na jakich pracuje elektrownia wiatrowa również muszą mieścić się w granicach napięcia wejściowego kontrolera. Jednak bardzo ważną funkcją kontrolera jest zabezpieczenie akumulatorów przed przeładowaniem czyli powinien posiadać jakiekolwiek zabezpieczenie aby zatrzymać turbinę lub przełączyć generowany prąd na grzałki aby w czasie wietrznej pogody i kiedy akumulatory były naładowane tyrbina oraz akumulatory nie zostały uszkodzone. Dlatego zalecamy tylko oryginalne kontrolery zalecane przez producenta elektroni wiatrowej. Aby straty energii były jak najmniejsze należy stosować przewody o odpowiedniej grubości a także niewielkie odległości między kontrolerem ładowania a akumulatorami.

Kliknij aby powiększyć

Przykładowy schemat systemu wiatrowego

System hybrydowy
System hybrydowy łączy dwa powyższe systemy i umożliwia uzyskanie większej autonomii. W naszym kraju mamy zróżnicowane warunki pogodowe, dlatego idealnym rozwiązaniem jest hybryda, czyli połączenie systemu wiatrowego z systemem solarnym. Dwa źródła energii doskonale się wzajemnie uzupełniają, w momencie kiedy nie ma słońca a wieje wiatr akumulatory i tak są ładowane. Działa to tak samo w drugą stronę kiedy nie ma wiatru a świeci słońce. System hybrydowy jest tym samym bardziej wydajny kiedy wieje wiatr i świeci słońce w tym samym czasie.

Kliknij aby powiększyć

Przykładowy schemat połączenia systemu hybrydowego