Κείμενο - φωτογραφίες : Δημήτρης Καραγεωργίου
Προσδιορίζοντας την τελική επιλογή.
Τώρα που έχουμε ρυθμίσει την ενέργεια σε wat-ώρες παρέχοντας τη διατήρηση σωστής θερμοκρασίας στο ψυγείο, που έχουμε διασφαλίσει αρκετή εφεδρική ενέργεια για τη λειτουργία των μικροσυσκευών στο σκάφος για τις ανάγκες του πληρώματος και έχουμε κοιτάξει γύρω το σκάφος μας για να βρούμε ένα κατάλληλο σημείο τοποθέτησης όχι μακριά από τη θέση των μπαταριών, αλλά εντελώς απαλλαγμένο από σκιά, έχουμε το σύνολο των κριτηρίων που πρέπει να πληρούνται πριν την εγκατάσταση. Τώρα ήρθε η ώρα να εξετάσουμε τους περιορισμούς τεχνολογίας και να δούμε πόσο κοντά μπορούμε να φτάσουμε στην απαιτούμενη απόδοση.
Εσωτερικές απώλειες
Επιτρέψτε μου να επιστρέψω στο εξής: την σχέση μεταξύ της ονομαστικής ισχύος ενός ηλιακού πίνακα και του τι πραγματικά παίρνουμε. Όταν ο κατασκευαστής αναφέρει, για παράδειγμα, 100W για ένα πάνελ, αυτή είναι η αναμενόμενη έξοδος υπό συνθήκες δοκιμής. Οι συνθήκες δοκιμής είναι ηλιοφάνεια 1.000W ανά τετραγωνικό μέτρο στους 25°C.
Έτσι εάν έχετε μια ηλιόλουστη ημέρα όπου ξεπερνιόνται τα 100W στο πάνελ σε 1Kw/m2 τότε έχετε τη δυνατότητα να λάβετε 100W εξόδου για ένα μικρό χρονικό διάστημα το μεσημέρι. Η ενέργεια βέβαια για 24 ώρες θα είναι μικρότερη από την προαναφερόμενη, λόγω της απόκλισης του ήλιου κατά τη διάρκεια της ημέρας. Αυτό μπορεί εν μέρει να αποκατασταθεί με έναν πίνακα παρακολούθησης, αλλά και πάλι όταν ο ήλιος πέφτει, το φως πρέπει περνά με πλάγια γωνία με αποτέλεσμα να χάνεται η δύναμή του. Η ηλιοφάνεια θα επηρεαστεί επίσης από το γεωγραφικό πλάτος και από οποιαδήποτε μορφή σκίασης ή σκέδασης από ατμοσφαιρική σκόνη, ομίχλη ή σύννεφο.
Μια ακόμη σημαντική εσωτερική απώλεια είναι ότι η θερμότητα μειώνει την απόδοση ενός πίνακα κατά περίπου 5% για κάθε 10°C αύξηση θερμοκρασίας μεγαλύτερη από 25°C.
Για το λόγο αυτό, είναι πολύ πιθανό να έχετε υψηλότερη απόδοση από ένα ηλιακό πάνελ σε ψυχρότερα-βόρεια γεωγραφικά πλάτη απ’ ότι στον Ισημερινό. Άλλες απώλειες του πάνελ που πρέπει να γνωρίζετε είναι ότι:
• Υπάρχει ανοχή στην αναφερόμενη ονομαστική αξία, που κυμαίνονται σε αριθμούς +/-3% από έναν κατασκευαστή και +5% από άλλον, πράγμα που είναι καλό φυσικά.
• Κατά τη διάρκεια ζωής, η έξοδος του πίνακα θα αποσυντεθεί. Ένα κρυσταλλικό πάνελ, θα χάσει περίπου 10% σε 10 χρόνια.
Άλλες απώλειες συστήματος
Καλώδια
Οι απώλειες στα καλώδια είναι ανάλογες με το τετράγωνο του ρεύματος. Η εξίσωση είναι P=R*I2 όπου Ι είναι το ρεύμα σε Amps, R είναι η αντίσταση σε Ohms και P είναι η ισχύς σε Watts. Η βαθμίδα τάσης από την υψηλή τάση στα πάνελ έως την κάτω τάση στον ρυθμιστή καθορίζεται από την αντίσταση και το ρεύμα του καλωδίου(νόμος Ohm), η οποία με τη σειρά της καθορίζεται από το πόσο ηλιόλουστη είναι και την απαιτούμενη ισχύ. Η αντίσταση βέβαια είναι καθαρά θέμα σχεδιασμού. Για να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες καλωδίων -και να αποφευχθούν πιθανά προβλήματα καλωδίων υπερθέρμανσης- απαιτούνται μεγάλα καλώδια, αυτά που λέμε ‘χοντρά’. Η επιλογή τους, θα πρέπει να γίνεται από εξιδεικευμένο προσωπικό και όχι εμπειρικά. Η αντίσταση είναι επίσης ανάλογη με το μήκος του καλωδίου, συνεπώς όσο μακρύτερα τα καλώδια τόσο πιο παχιά πρέπει να είναι.
Σκίαση
Από όλους τους πιθανούς τρόπους απώλειας ισχύος από ένα πάνελ αυτός είναι ο πιο σημαντικός. Σε ένα κρυσταλλικό πάνελ, ακόμη και η λωρίδα της σκιάς ενός σχοινιού μπορεί να εξαλείψει σημαντική ποσότητα της δυνητικής ισχύος εξόδου. Επίσης, η σκιά από κατάρτι γειτονικού σκάφους μπορεί να στερήσει μεγάλο μέρος της ισχύος που θα μπορούσαμε να επιτύχουμε ή ακόμη και φορές που ο κυματισμός μιας σημαίας επηρέασε την ισχύ. Γιατί συμβαίνει αυτό; Τα επιμέρους κελιά σε ένα κρυσταλλικό πάνελ, είναι καλωδιωμένα με τέτοιο τρόπο ώστε ένα κύτταρο το οποίο είναι σε σκιά και δεν παράγει ενέργεια να λειτουργήσει ως μέσο απορρόφησης ισχύος που παράγεται από τα άλλα κύτταρα που είναι συνδεδεμένα με το καλώδιο αυτό, με αποτέλεσμα συνολικά να μην εξέρχεται ενέργεια στο πάνελ. Έτσι, μια σκιά που καλύπτει ίσως το 10% της ομάδας κυψελών, μπορεί να είναι αρκετή για να μηδενίζει την έξοδο της εντελώς. Αντίθετα, τα ακριβότερα άμορφα πάνελ θα χάσουν ίσως μόνο το 10% της παραγωγής τους, το οποίο, όπως έχω αλλού αναφέρει, είναι το μοναδικό πλεονέκτημά τους.
Μέγιστο σημείο ισχύος
Η εκτίμηση από τον κατασκευαστή αναφέρεται ως η καλύτερη δυνατή παραγωγή, ανεξάρτητα από την τάση που απαιτείται για να επιτευχθεί αυτή η έξοδος. Σαν τυπικό παράδειγμα, μπορεί να βρείτε ένα πάνελ 120W που παρέχει 7.1A σε 16.9V δίνοντας έτσι 120W. Για να χρησιμοποιήσετε αυτή την ισχύ όμως θα πρέπει να είστε σε θέσει να λειτουργείτε σε 16.9V. Υπάρχουν ρυθμίσεις που το κάνουν αυτό - βλ. τύπους MPPT παρακάτω και αυτές καθίστανται πιο προσιτές στους φειδωλούς ναυτικούς με την πάροδο του χρόνου. Δεδομένου ότι οι ρυθμιστές MPPT ήταν αρκετά ακριβοί, θα ήταν καλύτερο να ξοδέψουμε τα χρήματα σε ελαφρώς μεγαλύτερα πάνελ. Μια επιλογή από την αγορά, είναι να χρησιμοποιήσετε έναν ρυθμιστή MPPT Victron 75/15 που μπορεί να αγοράσετε σε πολύ λογική τιμή, αντί για τον παλαιότερο τύπο PWM. Ο ρυθμιστής PWM χρειάζεται να λειτουργεί σε περίπου 15V είσοδο για να δώσει την απαιτούμενη έξοδο 14,4V και σε 15V ο πίνακας υφίσταται απώλεια ισχύος σε σύγκριση με το μέγιστο σημείο ισχύος από περίπου 10% έως 33%.
Ρυθμιστής
Δουλειά του ρυθμιστή είναι να πετάξει ενέργεια, όταν αυτό είναι απαραίτητο. Αυτό γίνεται για να διασφαλιστεί ότι η μετάδοση ενέργειας στις μπαταρίες δεν είναι υπερβολικά μεγάλη για να τις χειριστεί. Συνήθως αυτό επιτυγχάνεται ελέγχοντας την ποσότητα ισχύος που διέρχεται μέσω αυτού για να συγκρατεί την τάση εξόδου σε κάποια προκαθορισμένη τιμή, όπως η τάση φόρτισης των 13,8V. Η τιμή της ισχύος που περνά, εξαρτάται από το ρεύμα που απαιτείται από το φορτίο: το άθροισμα των μπαταριών, των φώτων, του ψυγείου και ούτω καθεξής που απορροφούν το ρεύμα από τα πάνελ. Εάν το ψυγείο είναι αναμμένο, για παράδειγμα, περισσότερη ισχύς θα ρέει μέσω του ρυθμιστή, οπότε γίνεται χρήση του μεγαλύτερου από το προσφερόμενο μέσω του πάνελ φορτίου.
Οι πιο συνηθισμένοι, παλαιότεροι ρυθμιστές χρησιμοποιούν ένα σύστημα διαμόρφωσης πλάτους παλμού (PWM) το οποίο είναι πιο αποδοτικό από τον απλό έλεγχο της τάσης εξόδου. Οι συσκευές μέγιστης ισχύος εντοπισμού σημείου (MPPT) παρέχουν περισσότερη χρηστική ισχύ αναζητώντας τη βέλτιστη τάση τροφοδοσίας του πίνακα και τα τελευταία χρόνια το κόστος αυτών των συσκευών έχει μειωθεί δραματικά, ώστε να αξίζει πλέον να τις έχουμε υπόψιν μας. Στο ηλιακό πάνελ ο ρυθμιστής είναι μέρος του φορτίου - καταναλωτής ισχύος, γι’ αυτό η είσοδος στον ρυθμιστή είναι ένα κατάλληλο μέρος για να μετρήσετε την τάση και το ρεύμα εάν θέλετε να δείτε ακριβώς πόσο παράγεται από τα πάνελ.
Πόση ισχύ παίρνουμε πραγματικά.
Με βάση τις συνθήκες θερμοκρασίας, οι αναπόφευκτες απώλειες σε ένα νέο πάνελ που λειτουργεί στους 65°C είναι συνήθως 40%. Στο παράδειγμά μας για 100W τοποθετεί μόνο 60W, και αυτό είναι μόνο για λίγες ώρες. Αν χρειαζόμαστε πραγματικά κάθε κλάσμα της ενέργειας, τότε θα πρέπει να βρούμε έναν τρόπο να κρατηθεί το πάνελ δροσερό και θα πρέπει να επενδύσουμε σε ένα ρυθμιστή MPPT. Καθώς το πάνελ παλαιώνει, η απόδοσή του θα πέφτει ακόμα περισσότερο. Η πραγματικότητα φαίνεται να είναι ότι με μια καλά διατεταγμένη εγκατάσταση, μπορείτε να περιμένετε να πάρετε το 75% της δύναμης που θα περίμενε κανείς από ένα συνεχώς πανοραμικό πάνελ που λειτουργεί με την ονομαστική του ισχύ.
Στο σημείο αυτό, αναφορικά με την απόδοση ενός πάνελ, καταθέτω ένα περιστατικό που συνέβη κατά την περίοδο των διακοπών μας το καλοκαίρι του 2018 στη Σύμη, όπου βρέθηκα με ακόμη ένα ζευγάρι με το φουσκωτό τους. Δέσαμε στο Πέδι, στον τσιμεντένιο ντόκο στη μέση του όρμου – για όσους γνωρίζουν. Τις πρώρες ώρες, δεν παρατηρήσαμε κάτι περίεργο. Το βράδυ, περί τα μεσάνυχτα, είδαμε το όργανο, να μας δείχνει 12,2 και των δύο. Σημειώνω, πως του φίλου μας το πάνελ, ήταν ίδιας απόδοσης, αλλά πολύ ακριβότερο από το δικό μου, το ακριβότερο της αγοράς. Χαμηλώσαμε τα ψυγεία και την επομένη, όταν παρακολουθήσαμε το θέμα από πιο κοντά, είδαμε πως πάνω από 12,8 δεν είχαμε ποτέ. Όταν αλλού, την ίδια ώρα - ΄βαθύ΄ μεσημέρι, είχαμε 13,7 ως 14. Δεν μπόρεσε κανείς να μας εξηγήσει το λόγο ή την αιτίας αυτής της απότομης πτώσης στην απόδοση των ηλιακών μας. Δεχθήκαμε, πως ίσως η ατμόσφαιρα δεν ήταν ιδανική, ή ότι η ζέστη μας είχε μειώσει τόσο πολύ την απόδοση. Το απόγευμα της δεύτερης ημέρας, έβαλα μπροστά τις μηχανές, από μισή ώρα την κάθε μία και περάσαμε τη νύχτα χωρίς έννοια.
Ακτινοβολία. Πόση ισχύς φτάνει στην εγκατάσταση.
Ο ήλιος είναι 93 εκατομμύρια μίλια μακριά μας - περίπου. Πακέτα ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια τον αφήνουν και ταξιδεύουν στα 186.000 μίλια ανά δευτερόλεπτο για να πέσουν πάνω μας φορτισμένα με ενέργεια. Εάν κρατήσετε ένα ηλιακό πάνελ έξω από την ατμόσφαιρά μας, θα ακτινοβολούνταν από το φως του ηλιακού φωτός ευρέος φάσματος στα 1.370 W/m2. Αυτό ονομάζεται ηλιοφάνεια.
Επειδή η γη έχει κλίση στον άξονά της, βλέπουμε περισσότερο τον ήλιο το καλοκαίρι από ότι τον χειμώνα, όπου το ρεύμα των φωτονίων πρέπει να ταξιδέψει μέσα από μια μακρύτερη ατμοσφαιρική διαδρομή από ό,τι το καλοκαίρι, λόγω αυτής της κλίσης.
Το μήκος της ατμοσφαιρικής διαδρομής επίσης αλλάζει από την αυγή στο σούρουπο - είναι 11 φορές μακρύτερα κατά την ανατολή ή το ηλιοβασίλεμα από ό, τι είναι το μεσημέρι. Όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος της διαδρομής, τόσο περισσότερο η ενέργεια του ήλιου χάνεται από την ατμοσφαιρική απορρόφηση και τη διασπορά.
Το γεωγραφικό πλάτος είναι ο άλλος σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει. Αν βρισκόμασταν στο βόρειο ή νότιο πόλο, το μήκος της ατμοσφαιρικής διαδρομής θα ήταν σχεδόν συνεχώς 11 φορές όσο το μήκος της διαδρομής παραπάνω από κάποιον που βρίσκεται στον ισημερινό.
Το φως πρέπει να ταξιδέψει πολύ περισσότερο μέσα από την ατμόσφαιρα όταν ο ήλιος βρίσκεται στον ορίζοντα. Αυτό είναι καθαρά γεωμετρικό αποτέλεσμα. Η πραγματική απώλεια ενέργειας θα εξαρτηθεί από τη διαύγεια της ατμόσφαιρας, αλλά υπάρχει πάντα κάποια απώλεια. (Αυτό το γράφημα υποθέτει μια ατμόσφαιρα 100 χιλιομέτρων και τη δισδιάστατη γεωμετρία).
Ένα γωνιακό πάνελ, μπορεί άραγε να αποδόσει περισσότερη ενέργεια;
Το μεσημέρι η απόδοση ενός οριζόντια τοποθετημένου πάνελ σε μια βάση, θα φτάσει πιο κοντά στις τιμές του πίνακα όσο ποτέ. Ωστόσο, καθώς ο ήλιος πέφτει, η ισχύς πέφτει γρήγορα. Το γράφημα πιο κάτω, δείχνει πώς η ακτινοβολία ενός οριζόντιου πάνελ ποικίλει ως ποσοστό της ακτινοβολίας ενός πάνελ παρακολούθησης.
Αν τοποθετήσετε το πάνελ σας σε βάση με ρύθμιση κλίσης ως προς τη θέση του ήλιου από την ανατολή ως τη δύση, θα πάρετε πολλά περισσότερα από τα πάνελ σας. Υπάρχουν κατάλληλες βάσεις δυο αξόνων όπως είδα στο internet, αλλά ίσως είναι καλύτερο να ξοδέψετε τα χρήματά σας αγοράζοντας μεγαλύτερα πάνελ και να τα εγκαταστήσετε με μια πιο μέτριας διάταξης τοποθέτηση. Τότε όμως, θα μπείτε σε … πρόγραμμα να πρέπει να διορθώνετε κάθε λίγο και λιγάκι τη θέση του πάνελ, με ότι αυτό συνεπάγεται. Και καλά αν είστε διαρκώς πάνω στο σκάφος. Αν το ρυθμίσετε σε κάποια θέση και μετά δεν είστε εκεί για να τη διορθώστε, εν τω μεταξύ θα έχετε χάσει πολύ περισσότερα …
ΚΛΕΙΝΟΝΤΑΣ.
Εάν επιλέγετε ηλιακά πάνελ, ξεκινήστε επεξεργαζόμενοι το χώρο που διαθέτετε και ποιες είναι οι ενεργειακές σας ανάγκες. Στη χώρα μας, ο μέσος χρήστης σκάφους αναψυχής, σε ποσοστό περίπου 90%, καταθέτει την άδεια πλόων για την χειμερινή περίοδο. Μια ματιά στα parking σκαφών, δείχνει πολλούς ιδιοκτήτες, να χρησιμοποιούν πάνελς για τη συντήρηση των μπαταριών τους, τοποθετημένα σε αδόκιμες θέσεις. Να ‘βλέπουν’ προς το ήλιο, αλλά χωρίς καμία άποψη για την απόδοση που έχουν. Αν στηρίζονται μόνο στα πάνελς για την συντήρηση των μπαταριών, τότε μπορεί να προκύψει θέμα για τη συντήρηση τους, καθ’ όσον είναι γνωστό, πως το χειμώνα μπορεί να μεσολαβήσουν πολυήμερα διαστήματα συννεφιάς, ή ελάχιστου ήλιου. Η παροχή από σταθερή πηγή, είναι η πλέον ενδεδειγμένη διάταξη για τη συντήρηση των μπαταριών.
