Odnawialne źródła energii na jachcie – panele słoneczne

Panele słoneczne zwane są również panelami fotowoltaicznymi. Pod tymi dwoma nazwami kryją się panele, które zamieniają energię słoneczną na energię elektryczną. Dla większości jachtów, które pływają w słonecznych rejonach świata panele słoneczne będą najbardziej efektywnym z odnawialnych źródeł energii. W tym artykule podpowiem jak oszacować ile tej energii możemy się spodziewać.

Najtańsze VS “Marine”

Zanim zanurkujemy głębiej przyjrzyjmy się temu co jest na rynku. Panele słoneczne możemy kupić na Allegro, Amazonie, czy w specjalistycznych sklepach ze sprzętem żeglarskim. Ostatnio natrafiłem na bardzo tanią ofertę w czeskim sklepie https://shop.gwl.eu/. Można tam kupić 120W panel już za niecałe 70$, czyli 0,6$ za jeden Wat. Taki panel ma wydajność ok 19%.

Ale powyższy sklep to wyjątek. Generalnie na świecie koszt jednego wata to około 1$. Nawet na bardzo drogiej Polinezji Francuskiej kupiłem ostatnio dwa panele 170W w cenie 170$ za sztukę. W Stanach i Kanadzie ceny są podobne.

Podobne panele możemy kupić w sklepach żeglarskich. W niemieckim sklepie SVB za porównywalny panel o mocy 110W zapłacimy aż 260euro (310$), czyli 2,8$/W. To ponad trzy razy tyle! Panel oferowany przez Niemców ma wydajność na poziomie 20%, czyli właściwie to samo.

Powyższe kalkulacje są za sztywny panel słoneczny w aluminiowej ramie. Na rynku są też elastyczne panele. Są one cienkie i ważą ponad 2 razy mniej. W sklepie GWL zapłacimy za niego ok 1$/W. Z moich (i nie tylko) doświadczeń wynika, że ich żywotność jest niższa niż paneli z aluminiową ramą.

W sklepach żeglarskich można też kupić panele hi-tech o wydajności do 24%, które są elastyczne i można do tego po nich chodzić. Jednak za takie ekstrasy słono przyjdzie nam jednak zapłacić. Będzie to ponad 10$ za jeden Wat, czyli 20 razy drożej niż najtańsza opcja panelu w aluminiowej ramie. Więc jeśli macie duuużo pieniędzy i mało miejsca to takie specjalistyczne panele są dla Was. Osobiście uważam, że płacenie 10 razy więcej (jak porównamy elastyczne panele) za dodatkowe 4% wydajności (20% mniejsza powierzchnia przy tej samej mocy) to trochę sporo.

Konkluzja

No dobrze, ale jaka jest właściwie konkluzja? Czy warto inwestować w panele “marine”. Moim prywatnym zdanie NIE WARTO. Od 12 lat używam na Crystalu najtańszych paneli jakie byłem w stanie w danym momencie i miejscu kupić. Działają one bez zarzutu. Jedynym słabym punktem są plastikowe skrzyneczki z których wuchodzą kable. Jeśli chcecie zainstalować panel w miejscu, gdzie na taką skrzyneczkę regularnie chlapie woda, to należy ją dodatkowo uszczelnić. Jeżeli to zrobicie to jedyna opcja na awarię to mechaniczne złamanie panelu. Najstarsze “chińczyki” na Crystal przepłynęły już ponad 130 000 Mm i nadal pracują bez zarzutu.

Regulator PWM czy MPPT?

Panele powinny być podłączone do akumulatorów przez regulator napięcia. Wszystko oczywiście po to, aby nasze akumulatory były ładowane optymalnym napięciem. Regulatorów jest mnóstwo.

Regulatory PWM

Najprostszymi i najtańszymi regulatorami są regulatory impulsowe. Kiedy napięcie jest poniżej zadanej wartości, zwierają one solar z akumulatorem. Kiedy akumulator zbliża się do stanu pełnego naładowania zaczynają ładować impulsami, które stają się coraz krótsze. Kiedy akumulator jest naładowany w 100% regulator na stałe rozłącza go od solara.

Zaletą takiego regulatora jest cena.
Są jednak trzy podstawowe wady regulatorów PWM. Ponieważ zwiera on po prostu akumulator z panelem, to napięcie na panelu wynosi maksymalnie w okolicach 14,4V. Maksymalny punkt mocy solarów podłączanych do instalacji 12V przez regulator PWM jest osiągany przy napięciu ok. 19V. Dlatego nasz panel może osiągnąć maksymalnie tylko ok. 80% swojej nominalnej mocy. Jest to podstawowa wada.

Na powyższym wykresie ładnie widać, że obniżając napięcie na panelu obniżamy moc z jaką działa.

Drugą wadą jest to, że algorytmy ładowania akumulatorów są beznadziejnie prymitywne i nie można nic przeprogramować. Dlatego jest pewne, że taki regulator nie będzie optymalnie ładował Waszych akumulatorów. To jest po prostu badziewie. Miałem kiedyś taki regulator i wiem co piszę 😉
Trzecia wada to, że jesteśmy skazani na panele słoneczne o nominalnym napięciu 21-23V, co dość mocno zawęża nam wybór. Do tego nie możemy łączyć paneli szeregowo.

Regulatory MPPT

Regulatory MPPT (Maximum Power Point Tracking) to zupełnie inna liga. Są to regulatory, które w czasie rzeczywistym cały czas śledzą maksymalny punkt mocy dla naszego panelu (czy układu kilko połączonych paneli). Panel słoneczny jest odseparowany od akumulatora. Regulator utrzymuje optymalne napięcie po stronie panelu i optymalne napięcie po stronie akumulatora. Dzięki temu z możemy realnie wpakować w akumulator ok 95% mocy nominalnej solaru, przy czym im większe napięcie wejściowe, tym większa sprawność regulatora.

W przypadku MPPT możemy łączyć panele szeregowo (do maksymalnego napięcia regulatora) podbijając ich napięcie. Dzięki temu nie musimy zwiększać przekroju kabli (prąd zostaje ten sam).
Regulatory MPPT są też dużo bardziej zaawansowane. W regulatorach firmy Victron, których używamy na Crystal, można oczywiście ustawić poszczególne profile ładowania dla np. akumulatorów kwasowych, żelowych itd. Dodatkowo w opcjach zaawansowanych można zmienić dosłownie każdy parametr w algorytmie ładowania. Jest to bardzo ważne zwłaszcza jeśli macie akumulatory litowe.

Podsumowanie

Regulatory MPPT mają same zalety. Jedyną wadą jest cena. Jednak nie wyobrażam sobie używania PWMów na jachcie. Miałem już z nimi kiedyś do czynienia i jest to strata czasu i pieniędzy. Tak więc jestem zdecydowanym zwolennikiem najtańszych solarów w połączeniu z najdroższymi regulatorami.

Jakie napięcie nominalne paneli w systemie 12V?

Tu wszystko zależy od tego, czy zdecydowaliście się na regulator PWM, czy MPPT. W przypadku tego pierwszego napięcie przy którym panel osiąga maksymalną moc (MPP voltage) powinno być jak najniższe. Czyli realnie będzie to 18-19V.
Oczywiście nie możemy takich paneli łączyć szeregowo, bo w takim wypadku napięcie nam się sumuje i wydajność systemu dramatycznie spada.

Jeśli zdecydowaliście się na regulator MPPT to napięcie wejściowe jest dowolne w granicach pracy regulatora. Zwykle maksymalnie jest to 75-150V w zależności od modelu. Oczywiście jest to napięcie maksymalne i spokojnie można podłączyć panele o napięciu np. 23V.

Czy panele fotowoltaniczne łączymy szeregowo czy równolegle?

Odpowiedź na to pytanie brzmi TO ZALEŻY. Oba sposoby mają swoje wady i zalety. Jak zwykle na jachcie trzeba tu znaleźć satysfakcjonujący nas kompromis.

Łączenie szeregowe

Łączenie szeregowe to takie, gdzie plus następnego solara łączymy z minusem poprzedniego. Przy łączeniu w ten sposób sumują się napięcia poszczególnych paneli. Maksymalny prąd jaki popłynie w takim układzie jest to maksymalny prąd najgorszego panelu. Dlatego bardzo ważne jest, aby przy łączeniu szeregowym maksymalny prąd każdego panelu był dokładnie taki sam.

Do zalet takiego połączenia należy zwiększanie mocy układu bez zwiększania płynącego prądu. Dzięki temu kabli podłączeniowych będzie mniej i mogą one być odpowiednio cieńsze. Dopóki nie przekroczymy maksymalnego napięcia wejściowego regulatora mppt możemy dodawać kolejne panele.

Uwaga na cień!

Jednak układ taki ma ogromną wadę, przez którą łączenia szeregowe trzeba na jachtach stosować rozważnie. Mianowicie panele możemy sobie łączyć szeregowo pod warunkiem, że wszystkie sztuki znajdują znakomitą większość czasu w tych samych warunkach nasłonecznienia. Jak wiadomo na jachcie jest wiele elementów, które rzucają cień w różnych przypadkowych kierunkach. Jacht w przeciwieństwie do domu jest w ciągłym ruchu i jego położenie względem stron świata nieustannie się zmienia. Do tego dochodzą żagle i inne ruchome elementy.

Wystarczy że tylko jeden panel z szeregu zostanie zacieniony (nawet częściowo), a wydajność całego układu spadnie dramatycznie. Każdy panel (te nasłonecznione też) zjedzie ze swoją mocą do poziomu tego zacienionego. Efekt będzie więc taki jak by na wszystkie panele padł cień.

Łączenie równoległe

Łączenie równoległe to takie gdzie łączymy ze sobą wszystkie zaciski “+” oraz wszystkie zaciski “-“. Oczywiście plusy z plusami, a minusy z minusami, a nie wszystko razem 😉

Przy połączeniu równoległym sumują się prądy wszystkich solarów składowych. Napięcie natomiast pozostaje bez zmian. Dlatego przy takim połączniu ważne jest aby poszczególne panele były do siebie dopasowane napięciowo.

Zdecydowaną zaletą takiego połącznia jest większa odporność na zacienienie poszczególnych solarów. Po prostu jeśli jeden z paneli znajdzie się w cieniu, to jego wydajność mocno spadnie, ale pozostałe nasłonecznione panele będą nadal ładowały z maksymalną mocą.

Zdecydowaną wadą takiego rozwiązania jest więcej kabli, które muszą być odpowiednio grubsze. Kiedy połączymy równolegle 4 panele, to kable łączące je z regulatorem powinny być 4 razy grubsze niż przy połączeniu szeregowym! Wydaje mi się jednak, że pociągnięcie kilkunastu metrów odpowiednio grubszego kabla jest do przeżycia i warto to zrobić, aby z naszych solarów wyciągnąć maksimum ich możliwości.

Łączenie szeregowo-równoległe

Na jachcie często trzeba iść na kompromis. Z jakiś powodów może się okazać, że grubszego kabla pociągnąć się nie da, bo np. jakaś rurka jest za cienka, albo po prostu nie chcemy tylu kabli. Wtedy możemy zrobić połącznie szeregowo-równoległe. Mając np. 4 takie same panele, dwie pary łączymy ze sobą szeregowo, a następnie te szeregowe pary równolegle ze sobą. Dostajemy wtedy rozwiązanie pośrednie pomiędzy połączeniem szeregowym i równoległym.

Miejsce montażu paneli

Oczywiście optymalnym miejscem montażu naszych paneli będzie rejon najmniej zacieniony. Na jachtach i katamaranach będzie to najczęściej bramka rufowa. Panele można też zamontować na bimini, lub szpryc budzie, jednak tu już powoli wchodzimy pod bom i grota, który będzie je regularnie zacieniał.

Ile realnie prądu da nam panel słoneczny?

To pytanie zadaje sobie każdy rozważający montaż paneli na jachcie.

Ile Ah dziennie jesteśmy w stanie wycisnąć ze 100 W panelu słonecznego?

Ważne: W dalszej części będę domyślnie pisał o systemie 12V

Wśród żeglarzy mieszkających na jachtach panuje przekonanie, że paneli (w watach) powinno być pięć razy tyle, co nasza dzienna konsumpcja w amperogodzinach – Ah. Innymi słowy jeśli dziennie zużywamy 100 Ah to powinniśmy mieć 500W paneli. Jest to kalkulacja z pewnym marginesem bezpieczeństwa, że niektóre dni są częściowo pochmurne i panele nie zawsze będą ładować ze swoją nominalną mocą. Jacht w tropikach mający tyle paneli będzie w 100% samowystarczalny.

Oczywiście powyższa kalkulacja tyczy się jachtu na którym 100% zapotrzebowania elektrycznego pokrywane jest w solarów. Jeśli mamy na pokładzie np. generator wiatrowy to ilość potrzebnych paneli będzie mniejsza. Jeśli przykładowo wiatrak daje nam 30 Ah dziennie to mamy 100 Ah – 30 Ah = 70 Ah. Czyli potrzebujemy 70*5 = 350 W paneli.

Na ile prądu możemy liczyć z generatora wiatrowego omówię w następnym artykule.

Dużo zależy od rejonu pływania

Wszystkie obliczenia z powyższego akapitu to spore uproszczenie. Bardzo dużo zależy od tego gdzie żeglujemy.
Na Morzu Corteza w Meksyku słońce jest niemiłosierne i po prostu praży od rana do wieczora. Dlatego tam pewnie wystarczy stosunek 3:1, czyli 300 W paneli pokryje każde 100 Ah naszej konsumpcji.

W Polsce w lecie pewnie te 5:1 wystarczy na styk. Zresztą pływając po Bałtyku nie musimy mieć pełnej autonomii, bo prędzej czy później i tak zawiniemy do mariny i się doładujemy do pełna. Przesuwając się dalej na północ słońce będzie świecić coraz niżej, a wydajność paneli będzie szybko spadać. Dlatego dalej na północy panele mogą być co najwyżej dodatkiem spowalniającym rozładowanie, ale nie zapewnią nam pełnej autonomii.

Moje praktyczne obserwacje na Crystal

Na powyższym wykresie możecie zobaczyć dane z jednego regulatora MPPT obsługującego 740 W paneli słonecznych. Panele połączone są ze sobą równolegle.

W tym okresie żeglowaliśmy po Polinezji Francuskiej. Pogoda przez większą część czasu była słoneczna, ale był też okres kilku dni z rzędu z zupełnym zachmurzeniem. Dlatego można ten okres potraktować jako dobrą ilustrację przeciętnych warunków jakie panują w tropikach. Ponieważ mieliśmy komplet załogi to wykorzystywaliśmy moc paneli prawie w 100%. Oczywiście gdybym w tym czasie był na jachcie sam, to bym nie był w stanie przejeść tyle energii.

W czasie 30 dni 740 W paneli wyprodukowałow sumie 81,4 kWh energii. Średnio 2,7 kWh dziennie, czyli 212 Ah.
Na każde 100 W paneli akumulatory dostawały dziennie 28,6 Ah.

Widać z tego, że stosunek 5:1 (moc paneli do zjadanych Ah) jest z zapasam. W tych warunkach wystarczyłby 3,5:1.

Pisałem tutaj o dążeniu do ideału jakim jest odzyskiwanie 100% zużytej energii za pomocą paneli słonecznych. Oczywiście na większości jachtów nie ma potrzeby zapewniania sobie pełnej autonomii, i dla kogoś kto nie mieszka na stałe na jachcie taka ilość solarów może być kłopotliwa. Jednak znając powyższe kalkulacje sami jesteście w stanie sobie policzyć ile paneli potrzebujecie aby pokryc 30%, a ile 50% dziennego zużycia.

W następnych artykułach przyjrzę się dokładniej generatorom wiatrowym oraz hydrogeneratorom.

Jeśli masz własne doświadczenia, czy przemyślenia w tej materii to koniecznie zostaw komentarz pod wpisem!

Linki do pozostałych części poradnika:

1. System elektryczny na jachcie – wstęp
2. Jak łatwo zrozumieć działanie systemu elektrycznego na jachcie
3. Ile prądu zużywa nasz system elektryczny na jachcie?
4. Odnawialne źródła energii na jachcie – wstęp
5. Odnawialne źródła energii na jachcie – panele słoneczne (czytasz teraz)
6. Odnawialne źródła energii na jachcie – generatory wiatrowe
7. Odnawialne źródła energii na jachcie – hydrogeneratory
8. Ile akumulatorów na jachcie?
9. Jak poprawnie ładować akumulatory na jachcie?
10. Jak szybko można ładwoać akumulatory na jachcie?

Seria artykułów o akumulatorach litowych na jachcie

1. Akumulatory litowe na jachcie – wprowadzenie
2. Dlaczego akurat akumulatory litowe na jachcie?
3. Gotowe akumulatory litowe na jachcie – przegląd
4. Możliwe topologie systemu LFP na jachcie
5. Samodzielny projekt akumulatorów litowych na jachcie
6. Ładowanie akumulatorów LiFePO4
7. LiFePO4 na jachcie Crystal – co mamy?

Chcesz wiedzieć więcej lub potrzebujesz pomocy przy Twoim konkretnym projekcie? Zapraszamy na indywidualne konsultacje – więcej info tutaj lub napisz do nas: info(at)skiff.pl.

Spodobał Ci się ten tekst? Dmuchnij więc wiatr w żagle Krysi:

lub