Τα Αυτόνομα Φωτοβολταϊκά μπαίνουν στην καθημερινότητά μας

Πώς η εξέλιξη της τεχνολογίας στον τομέα των φωτοβολταϊκών συστημάτων επιτρέπει πλέον την πλήρη αυτονόμηση επιχειρήσεων ή και μόνιμων κατοικιών από το δίκτυο, προσφέροντας απόλυτη κάλυψη των αναγκών αλλά και μεγάλη εξοικονόμηση.

Οι περισσότεροι έχουμε στο μυαλό μας τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά ως μικρά συστήματα αυτονομίας ηλεκτρικού ρεύματος για τροχόσπιτα, εξοχικές κατοικίες ή μικρά σκάφη. Τα τελευταία χρόνια όμως, η τεχνολογική εξέλιξη επέτρεψε την περαιτέρω χρήση τους για την αξιόπιστη τροφοδότηση καταναλώσεων μεγάλης ισχύος και ενεργειακής κατανάλωσης, ακόμη και σε τριφασική συνδεσμολογία, η οποία συναντάται σε μοναστήρια, μόνιμες κατοικίες και επιχειρήσεις όπως ξενοδοχεία, ενοικιαζόμενα δωμάτια, κα.

Από τι αποτελείται ένα αυτόνομο σύστημα
Τα βασικά μέρη ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος και η λειτουργία που επιτελεί καθένα από αυτά είναι:
  • Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια, τα οποία συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια (η ισχύς τους καθορίζει την ημερήσια ενέργεια που μπορούμε να λάβουμε από τον ήλιο).
  • Ο ρυθμιστής φόρτισης (ή αντιστροφέας μπαταριών), ο οποίος ελέγχει την διαδικασία φόρτισης των μπαταριών.
  • Η συστοιχία συσσωρευτών (μπαταρίες), η οποία αποθηκεύει την περίσσεια ενέργειας προς χρήση όταν δεν υπάρχει ηλιοφάνεια (η χωρητικότητά της καθορίζει το μέγεθος της αποθηκευμένης ενέργειας που είναι διαθέσιμη).
  • Ο αντιστροφέας ο οποίος μετατρέπει σε κατάλληλη μορφή την τάση των μπαταριών ή των φωτοβολταϊκών (η ισχύς του καθορίζει την μέγιστη ισχύ που μπορούμε να τροφοδοτήσουμε ταυτόχρονα).
  • Η ανεμογεννήτρια, η οποία μετατρέπει την αιολική ενέργεια σε ηλεκτρική.
Όσο αυξάνονται οι ηλεκτρικές ανάγκες που πρέπει να καλυφθούν, τόσο αυξάνονται και οι απαιτήσεις σε ημερήσια ενέργεια (ισχύς φωτοβολταϊκού), σε στιγμιαία ισχύ (ισχύς αντιστροφέα) και σε αποθήκευση ενέργειας (χωρητικότητα μπαταριών). Για να αυξηθεί η ενέργεια που λαμβάνεται ημερησίως από τον ήλιο, προσθέτουμε φωτοβολταϊκά πλαίσια (και ρυθμιστές φόρτισης). Για να αυξηθεί η στιγμιαία ισχύς, προσθέτουμε αντιστροφείς (είτε παράλληλα, είτε σε τριφασική συνδεσμολογία). Τέλος, για να αυξήσουμε την αυτονομία του συστήματος, προσθέτουμε μπαταρίες, είτε αυξάνοντας την τάση, είτε την χωρητικότητα ή και τα δύο.

Τριφασικά Αυτόνομα Φωτοβολταϊκά
Καθώς η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών εξελίσσεται και οι τιμές των επιμέρους υλικών έχουν ήδη πέσει αρκετά, τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά αποτελούν μία αξιόπιστη και οικονομική λύση ηλεκτροδότησης ακόμη και για καταναλωτές με όχι απλά μεγάλες ανάγκες σε ηλεκτρικό ρεύμα αλλά και μετριφασική παροχή ρεύματος. Μάλιστα, σε χώρες της Αφρικανικής Ηπείρου που δεν υπάρχει δημόσιο δίκτυο, υπάρχουν πλέον ακόμη και ολόκληρα χωριά που τροφοδοτούνται από τριφασικά αυτόνομα φωτοβολταϊκά μεγάλου μεγέθους.

Στην Ελλάδα η πλειοψηφία των εφαρμογών για μεγάλα τριφασικά αυτόνομα φωτοβολταϊκά εντοπίζεται σε τουριστικές μονάδες (ενοικιαζόμενα δωμάτια, μικρά ξενοδοχεία, καντίνες), μοναστήρια και μόνιμες κατοικίες, απομακρυσμένες από το δίκτυο της ΔΕΗ. Επιπλέον, τα κίνητρα που δόθηκαν τα τελευταία χρόνια αφενός από τον ΚΕΝΑΚ και αφετέρου από τον Αναπτυξιακό Νόμο, ώθησαν όλο και περισσότερους, επιχειρηματίες κατά κύριο λόγο, στην εγκατάσταση αυτόνομου φωτοβολταϊκού ακόμη και σε κτίρια που είναι διασυνδεδεμένα με τη ΔΕΗ.

Για να τροφοδοτήσουμε τριφασικές καταναλώσεις απαιτούνται είτε τριφασικοί αντιστροφείς είτε τουλάχιστον τρείς (3) μονοφασικοί, κατάλληλα συνδεδεμένοι τηλεπικοινωνιακά και προγραμματισμένοι για τριφασική λειτουργία. Ανάλογα με το μέγεθος του συστήματος και τις ανάγκες του χρήστη διακρίνουμε δύο μεγάλες κατηγορίες συνδεσμολογίας των αυτόνομων φωτοβολταϊκών συστημάτων (είτε μονοφασικών είτε τριφασικών): i) τα συστήματα που διασυνδέονται στη συνεχή τάση (DCCoupling) και όλη η ενέργεια περνάει μέσω των μπαταριών για να διοχετευθεί στην κατανάλωση και ii) τα συστήματα που διασυνδέονται στην εναλλασσόμενη τάση (ACcoupling) και υπάρχει δυνατότητα απευθείας τροφοδότησης των καταναλώσεων από τον ήλιο.

Τριφασικά αυτόνομα με DC διασύνδεση
Η παλαιότερη τεχνική διασύνδεσης ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού είναι στη συνεχή τάση (DCcoupling). Κατά την τοπολογία αυτή η ενέργεια από τον ήλιο μεταφέρεται πάντα μέσω ενός DC ελεγκτή φόρτισης στη συστοιχία μπαταριών και από εκεί μέσω του αντιστροφέα στις καταναλώσεις. Σημειώνεται ότι ο αντιστροφέας που χρησιμοποιείται είναι αυτόνομος αντιστροφέας (off-grid inverter), ο οποίος λαμβάνει σαν είσοδο την συνεχή τάση (12, 24, 48 VDC) της μπαταρίας και δίνει σαν έξοδο εναλλασσόμενη τάση (230-380 VAC) προς τα φορτία.

Στην συνδεσμολογία αυτή το κοινό σημείο αναφοράς είναι η συστοιχία των συσσωρευτών, πάνω στην οποία διασυνδέονται φορτία και πηγές. Η τεχνική αυτή επιλέγεται εδώ και πολλές δεκαετίες στα μικρότερα συνήθως αυτόνομα συστήματα, με ισχύ φωτοβολταϊκού που κυμαίνεται συνήθως κάτω από 8-10kWp. 
Βασικό πλεονέκτημα της τεχνικής είναι η απλότητα λειτουργίας και το χαμηλό κόστος, ενώ στα πιο σημαντικά μειονεκτήματα συγκαταλέγονται οι αυξημένες απώλειες μετατροπών στις μπαταρίες (όταν υπάρχει ηλιοφάνεια μεγάλο μέρος της ενέργειας χάνεται στον κύκλο μετατροπής της ενέργειας: ηλεκτρικήgχημικήgηλεκτρική) και ο αυξημένος ρυθμός γήρανσης των μπαταριών, καθώς ακόμη και όταν υπάρχει ηλιοφάνεια η ενέργεια πρέπει να διοχετευθεί διαμέσου αυτών.

Τριφασικά αυτόνομα με AC διασύνδεση
Τα μειονεκτήματα της παραπάνω DC συνδεσμολογίας ήρθε να λύσει η τοπολογία της AC διασύνδεσης, η οποία χρησιμοποιείται κυρίως στα μεγαλύτερα συστήματα (συνήθως τριφασικά), όπου η σύζευξη των υποσυστημάτων γίνεται σε εναλλασσόμενη τάση (ACcoupling). 
Αναλυτικότερα, χρησιμοποιείται ένας ή περισσότεροι διασυνδεδεμένοι αντιστροφείς (ongrid inverters) οι οποίοι λαμβάνουν σαν είσοδο την συνεχή τάση από τα φωτοβολταϊκά και έχουν τη δυνατότητα απευθείας τροφοδοσίας των καταναλώσεων σε εναλλασσόμενη τάση. Εάν υπάρχει περίσσεια ενέργειας από τον ήλιο, τότε μέσω των αντιστροφέων μπαταρίας (αντίστοιχα με τους ελεγκτές φόρτισης στην DC διασύνδεση) αυτή η ενέργεια διοχετεύεται στις μπαταρίες.

Στα συστήματα αυτά συνεπώς, κοινό σημείο αναφοράς είναι η εναλλασσόμενη τάση, δίνοντας έτσι την δυνατότητα απευθείας τροφοδότησης των φορτίων από τα φωτοβολταϊκά, όσο υπάρχει ηλιοφάνεια, χωρίς τη διαμεσολάβηση των μπαταριών. Για τον λόγο αυτό τα συστήματα αυτά συστήνονται σε εφαρμογές που η ενέργεια απαιτείται συνήθως την ημέρα και οι απαιτήσεις σε ενέργεια είναι πιο έντονες τους θερινούς μήνες.
Μειονέκτημα της τοπολογίας αυτής είναι η αυξημένη πολυπλοκότητά της και το μεγαλύτερο κόστος των υποσυστημάτων, ενώ στα προφανή πλεονεκτήματα συγκαταλέγονται οι μειωμένες απώλειες ενέργειας και η ηπιότερη χρήση της μπαταρίας.

Η εξοικονόμηση στην πράξη
Παράδειγμα 1: Πολυτελής Εξοχική Κατοικία στην Νάξο
Παρακάτω παρουσιάζεται η περίπτωση μίας πολυτελούς εξοχικής κατοικίας στην Νάξο με θερινή κυρίως χρήση και πλήρη αυτονομία από τη ΔΕΗ. Το κόστος διασύνδεσης με το Δημόσιο Δίκτυο ήταν 80.000€ λόγω μεγάλης απόστασης και απαίτησης εγκατάστασης μετασχηματιστή μέσης τάσης σε χαμηλή.

Το προτεινόμενο σύστημα μπορεί να παράγει σε μία ηλιόλουστη ημέρα από 20-30kWh το χειμώνα έως 60-70 kWh το καλοκαίρι. Η ικανότητα αποθήκευσης είναι περίπου 120 kWh, από τις οποίες οι μισές είναι διαθέσιμες για 50% εκφόρτιση. Τέλος, η ισχύς ταυτόχρονης λειτουργίας είναι περίπου 18.000 Watts (περίπου 3x6 kW). 
Εξαιτίας του μεγάλου αρχικού κόστους διασύνδεσης με τη ΔΕΗ το συγκεκριμένο σύστημα έκανε απόσβεση από την πρώτη μέρα τοποθέτησης.


Παράδειγμα 2: Ξενοδοχειακή μονάδα στην Μύκονο
Στη συνέχεια εξετάζεται η περίπτωση ξενοδοχειακής μονάδας στη Μύκονο, η οποία με χρηματοδότηση από τον Αναπτυξιακό Νόμο, επεκτάθηκε κατά 20 δωμάτια, τα οποία τροφοδοτεί αυτόνομο φωτοβολταϊκόσύστημα με υποβοήθηση από τη ΔΕΗ. 
Σημειωτέον, ότι το αυτόνομο σύστημα έδωσε τη δυνατότητα διακοπής της σύνδεσης με τη ΔΕΗ καθόλη τη διάρκεια του χειμώνα, μειώνοντας δραματικά τα λειτουργικά κόστη της επιχείρησης (το χειμώνα λειτουργεί ένα γραφείο με φωτισμό-υπολογιστή-κλιματισμό και 2 τριφασικές αντλίες άντλησης όμβριων υδάτων).

Το προτεινόμενο σύστημα μπορεί να παράγει μία ηλιόλουστη μέρα από 50-60 kWh το χειμώνα έως 120-140 kWh το καλοκαίρι. Η ικανότητα αποθήκευσης είναι περίπου 250 kWh, από τις οποίες οι μισές είναι διαθέσιμες για 50% εκφόρτιση. Τέλος, η ισχύς ταυτόχρονης λειτουργίας είναι περίπου 35.000 Watts (περίπου 3x12 kW). 
Το σύστημα όχι μόνο βοήθησε στην επιχορήγηση της επιχείρησης με τον Αναπτυξιακό Νόμο αλλά μείωσε και τα λειτουργικά κόστη της νέας μονάδας. Επίσης, έδωσε τη δυνατότητα αποσύνδεσης όλης της μονάδας από τη ΔΕΗ για τους χειμερινούς μήνες, εξοικονομώντας πάγια έξοδα σχεδόν 6 μηνών.

Τα νέα δεδομένα
Τα σύγχρονα αυτόνομα φωτοβολταϊκά απέχουν πολύ από τα μικρά συστήματα αυτόνομης ηλεκτροδότησης που όλοι έχουμε δει πάνω σε ένα τροχόσπιτο. Η πρόοδος της επιστήμης και της τεχνολογίας επιτρέπει την αξιόπιστη και οικονομική τροφοδότηση μεγάλων καταναλώσεων, ακόμη και για επιχειρήσεις με τριφασική παροχή ρεύματος. 
Σε κάθε περίπτωση ο ενδιαφερόμενος θα πρέπει να απευθυνθεί σε εξειδικευμένη τεχνική εταιρεία με εγνωσμένη εμπειρία σε αυτόνομα φωτοβολταϊκάσυστήματα μεγάλου μεγέθους, ώστε να εκπονηθεί αναλυτική μελέτη και να εγκατασταθούν ποιοτικά υποσυστήματα που εγγυώνται την ασφαλή και αξιόπιστη ηλεκτροδότηση των καταναλώσεων. 

Άρθρο του κ. Μιχαήλ Νικ. Πέτσιου, Διδάκτορος ΕΜΠ, Διπλ. Ηλεκτρολόγου Μηχανικού ΕΜΠ, Γενικού Δ/ντή της MP-Energy Solutions, http://www.mp-energy.gr