Jak dobrać siłownik do instalacji solarnej?

• Wstęp – czyli dlaczego potrzebujemy prądu
• Czysta energia elektryczna
• Jak działa fotowoltaika?
• Systemy stacjonarne
• Systemy śledzące słońce – czy to się opłaca?
• Budujemy system śledzenia słońca – jaki siłownik do instalacji solarnej?
• Podsumowanie

Wstęp – czyli dlaczego potrzebujemy prądu

Rozwój cywilizacji ludzkiej od zawsze oparty był o dostęp do energii. Na początku źródło energii cieplnej oraz światła stanowił ogień, potem szliśmy coraz dalej, doskonaląc istniejące źródła energii i wynajdując nowe.

Wreszcie odkryto prąd elektryczny, no i się zaczęło ?

Odkrywano coraz to nowe metody na produkowanie energii elektrycznej i jej magazynowanie. Przybywało wiąż kolejnych sposobów zużywania prądu elektrycznego. Sprawność źródeł prądu rosła, malały też wymiary urządzeń służących do jej gromadzenia. Ale nadal produkcja energii elektrycznej oparta była o spalanie paliw kopalnych (elektrownie węglowe), przegradzanie tamami rzek (elektrownie wodne) lub reakcje rozczepiania jądra atomowego (elektrownie atomowe).

Choć od wielu lat taki prąd zasila nasze fabryki, biura i domy to jednak nie możemy zatrzymać się w miejscu. Trzeba szukać nowości. Paliwa kopalne smrodzą podczas ich spalania, a poza tym kiedyś się wyczerpią. Przegradzanie rzek zaporami służącymi spiętrzeniu wody dla elektrowni powoduje szkody w środowisku naturalnym degradując rzeki oraz uniemożliwiając wędrówki wielu cennych gatunków ryb i ich rozmnażanie. Ponadto zbiorniki zaporowe są magazynem wielu bardzo szkodliwych substancji. Gromadzą się one w osadach na dnach zbiorników i stanowią „bombę z opóźnionym zapłonem”. Energia atomowa – jakkolwiek najbardziej obecnie sprawne źródło energii elektrycznej także nie jest pozbawione wad. Wytwarza ono bardzo niebezpieczne odpady radioaktywne, które trzeba się w odpowiedni sposób utylizować.

No ale my tak bardzo potrzebujemy tej energii elektrycznej, żyć się bez niej nie da w obecnych czasach…!

Czysta energia elektryczna

W ostatnich latach duży nacisk kładzie się na Odnawialne Źródła Energii (OZE). Coraz większą popularność zdobywają ogniwa fotoelektryczne (produkcja energii elektrycznej), kolektory słoneczne (ciepła woda) oraz turbiny wiatrowe. Przyczyną takiego wzrostu popularności OZE są nie tylko dopłaty. Ludzie są coraz bardziej świadomi tego, że niedobrze jest – mówiąc obrazowo –  „samemu śmiecić we własnym domu”,

Słońce stanowi niewyczerpane źródło energii, a wiatr też będzie wiał zawsze – raz mocniej, raz słabiej ale zawsze. Co prawa w czarnych wizjach naukowców słońce kiedyś przestanie świecić, ale podobno minie jeszcze baaaaaardzo dużo czasu. Dlatego mówimy o nich jako o Odnawialnych Źródłach Energii. Można by jeszcze do tej grupy zaliczyć pływy i fale morskie, opady atmosferyczne oraz energię geotermalną. Ich wspólną cechą jest to, że są niewyczerpalne i nie trują środowiska.

Ale w tym artykule nacisk położę na głównie na Słońce. To ono w ostatnich czasach coraz częściej wykorzystywane w produkcji energii elektrycznej. A wiadomo, że prąd elektryczny mocno się wiąże z działalnością naszej firmy.

Jak działa fotowoltaika?

Mówiąc w wielkim skrócie fotowoltaika to przemiana energii słonecznej (światła) w energię elektryczną z wykorzystaniem zjawiska fotowoltaicznego. Konwersja jednej formy energii w drugą dokonuje się panelach fotowoltaicznych.

Panel słoneczny składa się z pojedynczych ogniw odpowiednio ze sobą połączonych. Ogniwa buduje się najczęściej z krzemu. Pojedyncze ogniwo wytwarza napięcie rzędu 0,5V. Jedno takie ogniwo nie byłoby w stanie dostarczyć odpowiedniej ilości mocy użytecznej, dlatego panel składa się zawsze z wielu takich ogniw połączonych ze sobą w taki sposób, by napięcie wyjściowe panelu było na tyle duże, aby mogło ładować akumulatory magazynujące energię elektryczną.

Na chwilę obecną panele słoneczne nie cechują się jakąś powalającą sprawnością przetwarzania energii. Dla paneli monokrystalicznych sprawność wynosi od 16% do 22%, natomiast panele polikrystaliczne mają sprawność w zakresie od 14% do 16%. Sprawność paneli fotowoltaicznych zależy także od temperatury (im wyższa temperatura pracy panelu, tym niższa sprawność).

Ilość energii, którą wytworzy panel ściśle zależy m.in. od ilości światła, które „zgarnie”. A ponieważ, jak wspomniałem, sprawność paneli nie jest zbyt duża, to aby uzyskać odpowiednią ilość mocy użytecznej na wyjściu, konieczne jest budowanie instalacji o odpowiednio dużych powierzchniach.

Systemy stacjonarne

W systemach stacjonarnych panele (baterie paneli) są nieruchome. Z założenia są ustawiane w stronę słońca tak, aby zmaksymalizować ilość światła słonecznego przez nie zbieranego.

Ile energii jest w stanie zebrać taki system?

W słoneczny dzień ze słońca do ziemi dociera maksymalnie około 1000 W/m² promieniowania słonecznego. Ale oczywiście panel słoneczny o powierzchni 1 m² nie wytworzy takiej mocy. Żeby tak było to musiałby działać ze sprawnością 100% i być zawsze w położeniu prostopadłym do padających promieni słonecznych. Niestety tak nie jest – baterie słoneczne w systemach stacjonarnych nie są przez cały czas prostopadłe do słońca. Nie działają też ze sprawnością 100%.

Policzmy zatem ile energii mógłby wytworzyć panel o powierzchni 1 m². Zakładamy, że jest ustawiony nieruchomo w kierunku południowym, nachylony do podłoża pod takim kątem, żeby słońce będąc w zenicie świeciło prostopadle do powierzchni panelu. Przyjmijmy, że wędrówka słońca ze wschodu na zachód trwa równo 12h. W tym czasie będzie ono świeciło na nasz panel pod zmiennym kątem od 0 (kiedy słońce będzie na wschodzie i zachodzie) do 90 stopni (gdy słońce będzie w zenicie). Przyjmujemy także, że jedynym źródłem promieniowania jest słońce i do naszego panelu nie dociera żadne promieniowanie rozproszone ani odbite.

Biorąc to wszystko pod uwagę oraz zakładając, że przez cały dzień słońca ani na moment nie zasłoniła żadna chmurka, lecący ptak, liść na wietrze czy cokolwiek innego okazuje się, że przez 12 godzin stacjonarny panel o powierzchni 1 m² zbierze na sobie 7,68 kWh energii słonecznej. Skąd taka wartość? Nie będę tutaj przynudzał wzorami matematycznymi, ale wszystko wynika z całkowania po czasie funkcji sinus, gdzie czas, w którym wykonywaliśmy obliczenia to 12h trwania naszego dnia, a amplituda całkowanego przebiegu to 1000 W. Oczywiście energia słoneczna zebrana na sobie przez panel zostanie przetworzona na energię elektryczną z określoną sprawnością (przyjmijmy 15% dla panelu polikrystalicznego – bo są tańsze). Okazuje się więc, że w ciągu naszego założonego 12-godzinnego dnia stacjonarny panel fotowoltaiczny o powierzchni 1 m² teoretycznie wytworzy 1,15 kWh energii elektrycznej, którą realnie będzie można użyć.

Systemy śledzące słońce – czy to się opłaca?

A co by było, gdyby panel obracał się za słońcem tak, aby zawsze być ustawionym prostopadle do padających promieni słonecznych?

No oczywiście byłoby o wiele lepiej, niż na nieruchomym panelu! ? Ale o ile lepiej? Sprawdźmy.

Obliczenia

Powtórzmy opisany wyżej eksperyment myślowy. Używamy systemu nadążnego jednoosiowego (wschód-zachód). Długość dnia bez zmian – 12 godzin. Panel o powierzchni 1 m² ustawiony pod odpowiednim kątem do podłoża, aby przez cały czas prowadzenia ze wschodu na zachód być prostopadły do słońca. Żadnych chmurek, ptaków na niebie ani unoszonych wiatrem liści. No i słońce promieniuje niezmiennie 1000 W/m². A nasz panel nie zbiera na swojej powierzchni żadnego innego światła, tylko to bezpośrednio padające ze słońca.

Ponieważ nasz panel jest tym razem zawsze prostopadły do padających promieni słonecznych, to zbiera on na swojej powierzchni 1000 W. Wychodzi więc na to, że w ciągu naszego 12-godzinnego dnia zbierze na sobie 12 kWh energii słonecznej. Uwzględniając sprawność panelu (przyjęte wcześniej 15%) otrzymujemy, że wytworzy on 1,8 kWh energii elektrycznej dla naszego użytku.

No to porównajmy wyniki ? W naszym eksperymencie system stacjonarny wytworzył 1,15 kWh energii elektrycznej, a system z trackerem: 1,8 kWh. Daje to teoretyczny zysk na poziome ponad 56 % energii wytworzonej przez system stacjonarny.

O połowę energii więcej, niż daje sam system stacjonarny!

Doskonale widać to na poniższym wykresie:

Czynniki wpływające na efektywność

Oczywiście jeśli chodzi o ilość zebranej przez panel energii, która zostanie przetworzona na energię elektryczną, są to wyliczenia czysto teoretyczne. W praktyce dużo więcej czynników, niż tylko te wymienione wcześniej będzie miało wpływ na ogólną efektywność systemu słonecznego. Przykładowo, w realnych warunkach przy naszych obliczeniach musielibyśmy uwzględnić jeszcze światło rozproszone i odbite. Paadając na nasz panel, także będzie wytwarzało w nim jakąś ilość energii elektrycznej. Ale jedno pozostaje pewne: w tych samych warunkach system nadążny zbiera znacznie więcej energii niż system nieruchomy! Praktyka pokazuje, że można liczyć nawet na około 40% zysku w stosunku do nieruchomego panelu.

Oczywiście systemy nadążne z trackerami także mogą być różne i dawać różne zyski energetyczne. Przykładowo system jednoosiowy (wschód-zachód) będzie działał z maksymalną wydajnością tylko w określonym dniu w roku. Wtedy, kiedy słońce po niebie będzie przebiegać po takiej trajektorii, że płaszczyzna przez nią wyznaczona będzie cały czas prostopadła do płaszczyzny panelu. W każdym innym momencie roku słońce nie będzie prostopadłe do panelu w żadnej chwili pomimo prowadzenia panelu za wędrującym po niebie słońcem.

Inaczej sytuacja wygląda przy użyciu solar trackera dwuosiowego (wschód-zachód, północ-południe). Trajektoria ruchu słońca po niebie przestaje mieć wtedy znaczenie. Dzieje się tak ponieważ system sam skoryguje nachylenie panelu względem podłoża tak, żeby uniezależnić się od pory roku (czyli od wysokości, na której słońce przemieszcza się po niebie). Dzięki temu nasz panel będzie zawsze prostopadły do słońca. Tym samym będzie zawsze zbierał maksimum energii słonecznej dostępnej w danym momencie.

Jak się więc okazuje – warto! ?

Budujemy system śledzenia słońca – jaki siłownik do instalacji solarnej?

Chcąc zaprojektować i wykonać tracker słoneczny musimy wziąć kilka ważnych czynników pod uwagę. Zwłaszcza jeśli zależy nam na tym, aby działał długo i bezawaryjnie, ale przede wszystkim był bezpieczny dla nietanich przecież paneli.

Po pierwsze powierzchnia i ciężar paneli i konstrukcji, na której będą zamontowane determinują minimalną siłę, jaką dysponować musi siłownik (lub siłowniki w wypadku trackera dwuosiowego). Ciężar konstrukcji i paneli – wiadoma sprawa. Ale powierzchnia gra rolę zwłaszcza przy wiatrach. Jeśli konstrukcja ma się opierać wiatrom, to musi być solidna. Oczywiście nie ma siły na huragan, ale typowe podmuchy naszych lokalnych zefirków system musi bezapelacyjnie wytrzymać ? Dlatego, po pierwsze, oszacuj potrzebną siłę minimalną, a następnie dobierz siłownik ze stosownym zapasem (najlepiej dwukrotnym).

Kluczowy parametr – wysuw

Kolejna sprawa to potrzebny zakres ruchu siłownika – wysuw. To określa bezpośrednio konstrukcja, na której będą montowane panele. W wypadku siłowników liniowych raczej nie da się uzyskać kąta obrotu na poziomie 180 stopni. Tak czy inaczej, chcąc uzyskać jak największy możliwy kąt obrotu musisz mieć pewność, że nie zabraknie wysuwu w siłowniku. Ponadto pamiętaj o tym, że im dalej od osi obrotu trackera są usytuowane punkty mocowania siłownika, tym mniejszej siły będzie potrzeba do poruszania konstrukcją. Daje to zysk w postaci przedłużenia bezawaryjności systemu ale jednocześnie zwiększa potrzebny zakres pracy siłownika – no coś za coś niestety. Dlatego, po drugie, określ potrzebny skok siłownika, a następnie dobierz siłownik, który będzie miał wysuw co najmniej taki, jakiego potrzebujesz.

Kolejna sprawa, to potrzebna prędkość siłownika. W systemach nadążnych za słońcem siłownik nie może być zbyt szybki, ponieważ będzie to skutkować niestabilnością systemu. Oczywiście wiele zależy też od dokładności i szybkości reakcji czujki położenia słońca oraz od sterownika. Nawet jeśli te są bardzo dokładne i reagują błyskawicznie, to i tak nie ma potrzeby stosować szybkiego siłownika, ponieważ słońce porusza się po niebie z prędkością średnio rączego ślimaka ? Ponadto szybki siłownik zamontowany na konstrukcji pokaźnych rozmiarów mógłby ulec uszkodzeniu ze względu na ogromną bezwładność kolosa, którym miałby poruszyć (zwłaszcza w momentach startu i zatrzymania ruchu). Dlatego, po trzecie, dobierz siłownik o odpowiedniej prędkości – takiej, żeby nie był za szybki ale jednocześnie aby był w stanie nadążyć za słońcem.

No i chyba ostatni już temat, to napięcia pracy siłownika. Rzecz oczywista, że musisz wybrać siłownik na takie napięcie, jakie podaje do niego sterownik.

Siłowniki elektryczne do instalacji solarnej

W ofercie firmy Elektrobim jest sporo różnych siłowników, z których kilka modeli szczególnie nadaje się do zastosowania w instalacjach solarnych.

Dobry siłownik do solar trackera powinien mieć przynajmniej dwukrotny zapas mocy w stosunku do minimalnej, jaka wymagana jest do konkretnej instalacji fotowoltaicznej. Siłownik elektryczny ST5 dysponuje mocą 50000N, co równa się udźwigowi 5 ton. Aby zapewnić tak duży udźwig, zastosowaliśmy wytrzymałą, metalową przekładnię planetarną oraz solidny silnik prądu stałego 240W. Sama budowa siłownika pozwala na utrzymanie przez niego siły statycznej równej 125000N. Wszystkie te czynniki przekładają się na bezpieczeństwo fotowoltaiki i gwarantują, że przy odpowiednim stelażu oraz montażu nasz solar tracker będzie działał latami.

Napęd do trackera wyposażony jest w motoreduktor ST5, który charakteryzuje się stabilnym wysuwem 1,2 mm/s*. Przekłada się to na płynny i kulturalny ruch paneli, bez kołysania konstrukcją.

Szukając siłowników o najwyższej jakości i trwałości, wypróbuj serię GNT. To profesjonalne siłowniki o konkretnej, solidnej konstrukcji, bardzo dobrze uszczelnione. Wersja na 24V oferuje 3000 N udźwigu, natomiast wariant o zasilaniu 230V – 3500N . Dostępne są w trzech długościach wysuwu: 457 mm, 914 mm oraz 1219 mm.

Jeśli budując solar tracker potrzebujesz także odpowiedniego sterownika, to wypróbuj dostępny u nas jednoosiowy lub dwuosiowy Solar Tracker.

Podsumowanie

Żyjemy w czasach, kiedy alternatywne źródła energii nie bez powodu zdobywają coraz większą popularność. Są ciche i ekologiczne, a co najważniejsze – wieczne. Odnawialne Źródła Energii mają więc coraz większy udział w produkcji energii elektrycznej.

Na polu podnoszenia sprawności przetwarzania energii słonecznej w elektryczną za pomocą paneli fotowoltaicznych jest jeszcze sporo do zrobienia. Ale jak – mam nadzieję – udało mi się pokazać w tym artykule, sami możemy podnieść efektywność pozyskiwania energii słonecznej poprzez zastosowanie systemu nadążnego za słońcem.

Koszty budowy takiego systemu (siłowniki + sterowanie) nie są obecnie porażające. Stanowią nieznaczną część kosztów samych paneli, więc warto zainwestować aby cieszyć się większą ilością zielonej energii oraz mieć świadomość, że się dba o naszą niepowtarzalną planetę ?