Akumulace energie v solárních fotovoltaických systémech

Akumulace energie v solárních fotovoltaických systémech

Jan Mareš, Martin Libra, Česká zemědělská univerzita v Praze

Fotovoltaická (PV) přeměna energie ve fotovoltaických solárních systémech je perspektivním, rychle se rozvíjejícím oborem. Jde o významný obnovitelný zdroj energie šetrný k životnímu prostředí. V odborném tisku i na stránkách časopisu Elektro byla tato problematika probírána již vícekrát [1], [2]. Zejména v sousedním Německu rychle roste počet solárních fotovoltaických systémů i množství elektrické energie v nich vyrobené. Předpokládá se, že za asi 30 let by fotovoltaika mohla být nejvýznamnější ze všech zdrojů energie [3]. Určitou nevýhodou je nerovnoměrnost slunečního svitu. Je tedy třeba v době dostatku slunečního záření vyrobenou energii akumulovat pro pozdější využití v době nedostatku záření, jako třeba v noci. Možností akumulace energie je více [3], např. výroba vodíku elektrolýzou vody jakožto alternativního paliva. Tento článek se zabývá akumulací energie elektrochemickou cestou v olověných akumulátorech.
Uvedená forma akumulace energie sice patří k méně efektivním, ale dobře se uplatňuje na odlehlých místech bez elektrické sítě k napájení drobných spotřebičů. Běžným použitím je napájení např. meteorologických stanic, radiokomunikačních pojítek, měřicích systémů v terénu, osvětlení v chalupách na samotě apod. Na Technické fakultě ČZU v Praze jsou konstruovány a testovány síťové i ostrovní fotovoltaické solární systémy (obr. 1). Síťovému systému byl věnován předchozí článek [2]. Malý ostrovní systém (systém nepřipojený k rozvodné síti) je určen k výzkumně vývojové práci s nabíječkami olověných akumulátorů.

Základní principy nabíjení

Pro malé systémy je k akumulaci elektrické energie z PV panelů použit akumulátor dostatečné kapacity a jmenovitého napětí. Nabíjecí proces akumulátoru je řízen pomocí nabíječky, po které je požadováno, aby bylo nabíjení efektivní, aby akumulátor nebyl přebíjen a aby v případě plně nabitého akumulátoru nabíječka poskytovala režim udržovacího nabíjení. Dále je v současné době na nabíječky kladen požadavek chránit akumulátor i proti hlubokému vybití, popř. obsahovat obvody elektronické pojistky a další funkce. Základní principy nabíjení jsou:
a) nabíjení konstantním napětím,
b) nabíjení konstantním proudem,
c) kombinace těchto způsobů [4].

Obr. 1. Fotovoltaický systém na ČZU v Praze

Zatím jsme se zabývali dvěma základními způsoby nabíjení akumulátorů z PV panelů – nabíjením konstantním napětím a nabíjením konstantním proudem. Termín „konstantní“ zde nelze brát doslova, neboť byl zaveden pro případ nabíjení akumulátorů z tvrdého zdroje. V našem případě především proud, ale i napětí závisejí na intenzitě osvětlení PV panelů. Pro oba případy je nutné vycházet z voltampérové charakteristiky PV panelu. Na obr. 2 je charakteristika PV panelu na bázi monokrystalického křemíku 12 V/100 W měřená při intenzitě osvětlení 120 000 lx za jasného dne. Dalším nutným předpokladem pro návrh nabíječky je znalost parametrů použitého akumulátoru, především napětí plně nabitého a vybitého akumulátoru a rovněž napětí v průběhu nabíjení. Dalšími důležitými parametry jsou nabíjecí proud a vhodný průběh tohoto proudu (konstantní, pulsující apod.). Pro malé ostrovní PV systémy jsou vhodné olověné staniční akumulátory (obyčejně s trubkovými kladnými elektrodami), ale běžné je i využití startovacího olověného akumulátoru (tzv. autobaterie), jejíž předností je snadná dostupnost na trhu a příznivější cena. Pro sezonní využití je toto řešení dostačující.

Nabíjení konstantním napětím

Dále se tedy zabýváme využitím startovacího olověného akumulátoru, jehož napětí v plně nabitém stavu je 14,4 V. Na tuto hodnotu je nastaveno i výstupní napětí nabíječky pro nabíjení konstantním napětím. Naše nabíječka je v tomto případě řešena jako stabilizátor napětí schopný dodat požadovaný nabíjecí proud (její schéma zapojení je na obr. 3a). Na obvodech stabilizátoru napětí vzniká úbytek, který byl v případě nabíječky zkonstruované a testované v ČZU v Praze asi 2,5 V.

Obr. 2 Voltampérová charakteristika PV panelu na bázi monokrystalického křemíku 12 V/100 W měřená při intenzitě osvětlení 120 000 lx

Akumulátor považujeme za vybitý, klesne-li jeho napětí na hodnotu přibližně 11 V. Při této hodnotě by měla vnitřní ochrana nabíječky odpojit zátěž, aby již akumulátor nebyl dále vybíjen. Tehdy součet napětí na akumulátoru a na obvodu nabíječky činí zhruba 13,5 V. Jak je zřejmé z charakteristiky na obr. 2, kde je tato situace vyjádřena jako případ 1, maximální proud, který je panel schopen dodat, je asi 6,2 A. V průběhu nabíjení se napětí na akumulátoru zvyšuje až do stavu plného nabití (14,4 V). Při tomto napětí se začne uplatňovat funkce stabilizátoru, který omezí výstupní napětí z nabíječky na tuto hodnotu. Napětí potřebné pro udržovací nabíjení je pak dáno součtem této hodnoty a úbytku napětí na obvodu nabíječky, tj. přibližně 16,9 V. Pro tuto hodnotu je maximální proud z panelu pro nabíjení roven asi 3 A, jak je zřejmé v případě 2 na obr. 2. Uvedená hodnota je pro konečnou fázi plně dostačující. Pohled na experimentální uspořádání je na obr. 4.

Ze zmíněné situace je patrné, že v případě vybitého akumulátoru je panel schopen dodávat svůj maximální proud. Účinnost nabíjení je v tomto případě poměrně vysoká a pracovní bod se zde nachází v blízkosti bodu maximálního výkonu panelu. S rostoucím stupněm nabití akumulátoru roste i jeho napětí, a tím se zmenšuje rozdíl mezi napětím akumulátoru a konstantním výstupním napětím nabíječky, což má za následek menší nabíjecí proud. Při menším odebíraném proudu je panel schopen dodávat vyšší napětí. Charakteristika panelu tak příznivě sleduje potřeby nabíječky.

Obr. 3. Schéma zapojení nabíječky pro nabíjení konstantním napětím a konstantním proudem

V reálném případě je proud z PV panelu přibližně lineárně závislý na intenzitě osvětlení, zatímco napětí je závislé logaritmicky. PV panel je proto schopen poskytovat napětí dostatečné velikosti pro nabíjení pro velký rozsah denních intenzit osvětlení, což je optimální především pro udržovací režim, kdy je nabitý akumulátor dobíjen malým proudem. Je-li akumulátor částečně či zcela vybit, je nabíjecí proud limitován právě maximálním možným proudem z PV panelu, závislým na intenzitě osvětlení.

Tento způsob nabíjení je vhodný především pro aplikace, kde je odběr z akumulátoru jen občasný či krátkodobý a je třeba mít akumulátor pokud možno stále nabitý (např. dálniční nouzová pojítka). Díky stabilizátoru napětí, který zaručí výstupní napětí nabíječky na hodnotě napětí plně nabitého akumulátoru, nemůže docházet k přebíjení ani při dlouhodobém připojení akumulátoru k nabíječce. Zároveň snižující se hodnota proudu v konečných nabíjecích fázích je pro olověné akumulátory výhodná s ohledem na jejich životnost. Nevýhodou jsou naopak ztráty na stabilizátoru napětí při nabíjení vybitého akumulátoru, které snižují účinnost systému.

Nabíjení konstantním proudem

Druhým způsobem nabíjení je nabíjení konstantním proudem. Záměnou os voltampérové charakteristiky PV panelu se získá charakteristika panelu jako zdroje proudu. Z té je patrné, že PV panel lze považovat za dobrý zdroj, kde maximální hodnota proudu je určena osvětlením PV panelu.

Obr. 4. Pohled na experimentální uspořádání

Jako nejjednodušší řešení se zde nabízí připojení akumulátoru přímo k PV panelu s podmínkou, že takto nebude překročen maximální nabíjecí proud akumulátoru. Vzhledem k velkému výběru akumulátorů na trhu lze v systému snadno provozovat právě takový akumulátor (akumulátor takové jmenovité kapacity), jehož maximální nabíjecí proud bude větší, než jaký je maximální proud z PV panelu za velmi jasného dne.

Problémem zmíněné jednoduché metody je přebíjení nabitého akumulátoru dále připojeného ke zdroji proudu. V nejjednodušším případě je možné měřit napětí akumulátoru, které podle nabíjecí křivky vypovídá o stavu nabití, nabitý akumulátor odpojit od PV panelu a při poklesu tohoto napětí naopak PV panel připojit. Tyto funkce lze automatizovat a realizovat je elektronickým obvodem. Výhodnější však je řídit velikost proudu tak, aby byl v konečné fázi nabíjení menší než jmenovitý nabíjecí proud, což je příznivé pro životnost akumulátorů, a aby v případě plně nabitého akumulátoru proud dosahoval desetiny jmenovitého nabíjecího proudu, tzv. udržovacího.

Proud lze řídit pomocí proměnného zdroje proudu, výhodnější je ale měnit střední hodnotu nabíjecího proudu spínáním (obdélníkovými pulsy). Při použití elektronického spínače (tranzistoru) je výkonová ztráta na rozpojeném spínači nulová (I = 0) a na sepnutém díky malému vnitřnímu odporu malá; to zvyšuje účinnost nabíjení.

Vyjde-li se ze vztahu pro střední hodnotu proudu

je možné průběh spínaného proudu rozdělit na dvě části. Část, kdy je spínač sepnut a nabíjecí proud je roven maximálnímu proudu z PV panelu, a část vypnutého spínače, kdy je proud nulový. Poměr trvání těchto částí je dán střídou spínání, tj. poměrem délky intervalu <0,t> k délce intervalu <t,T>, kde T je perioda. Vztah pro střední hodnotu pak je:

Změnou doby sepnutí lze regulovat střední hodnotu proudu. Tato regulace sice může být velmi jemná, podle toho s jakou jemností lze měnit dobu sepnutí, ale v praxi během nabíjení mají význam nejvýše tři fáze.

1. fáze, kdy je spínač trvale sepnut a do akumulátoru je dodáván maximální proud z PV panelu,

2. fáze, kdy je střední hodnota nabíjecího proud snížena na polovinu, tedy poměr délek obou intervalů je 1 : 1,

3. fáze udržovacího nabíjení, kde je pro olověné akumulátory doporučena střední hodnota nabíjecího proudu rovná desetině jmenovitého nabíjecího, tedy poměr délek obou intervalů je 1 : 9.

doc. Ing. Martin Libra, CSc. narozený roku 1957, vystudoval Fakultu jadernou a fyzikálně inženýrskou ČVUT v Praze. Působil ve Fyzikálním ústavu AV ČR, v Tesle Holešovice, na Fakultě strojní ČVUT v Praze a nyní působí na Technické fakultě ČZU v Praze a paralelně i na Zemědělské fakultě JU v Českých Budějovicích. Zabýval se fyzikou plazmatu, plazmovými zdroji záření a solární energií. V Jednotě českých matematiků a fyziků je předsedou komise na propagaci matematiky a fyziky. Pracuje rovněž v redakční radě časopisu Jemná mechanika a optika a v řadě odborných komisí. Bc. Jan Mareš narozený roku 1981, studuje 4. ročník Technické fakulty České zemědělské univerzity v Praze. Zabývá se solární energií.

Tento způsob nabíjení je vhodný pro zmíněné olověné akumulátory a je příznivý i pro některé speciální akumulátory dodávané na trh pro použití především ve PV systémech. Schéma zapojení naší nabíječky je na obr. 3b.

Uvedený způsob nabíjení je vhodný především pro aplikace v systémech s velkým odběrem proudu, kde akumulátor bývá značně vybit v době mezi dostatečnou intenzitou slunečního záření pro nabíjení (tj. v noci či během zatažených dní) a během slunečných dní bývá nabíjen po většinu doby. To znamená, že po většinu doby nebývá v režimu udržovacího nabíjení.

Nabíječky pro oba zmíněné způsoby nabíjení byly zkonstruovány na ČZU v Praze, kde jsou nyní testovány. V prvních testech během jara a léta 2006 se dobře osvědčily. Práce probíhá v rámci výzkumného záměru MSM 6046070905.

Literatura:
[1] LIBRA, M. – POULEK, V.: Solární energie – stále aktuální problematika! Jemná mechanika a optika, 2002, 47, č. 2, ( s. 58–59, ISSN 0447-6441.
[2] POULEK, V. – LIBRA, M. – BICAN, P.: Testy fotovoltaického systému na ČZU v Praze. Elektro, 2006, 16, č. 5, s. 36–37, ISSN 1210-0889.
[3] LIBRA, M. – POULEK, V.: Solární energie, fotovoltaika, perspektivní trend současnosti i blízké budoucnosti. Česká zemědělská univerzita v Praze, 2006, ISBN 80-213-1488-5.
[4] CENEK, M. a kol.: Akumulátory od principu k praxi. FCC Public s. r. o., Praha, 2003, ISBN 80-86534-03-0.