Τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα (stand-alone / off-grid / island pv systems) είναι συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τη χρήση Φωτοβολταϊκών τα οποία δεν είναι συνδεδεμένα με το δίκτυο και η ενέργεια που παράγουν χρησιμοποιείται άμεσα (άντληση νερού με τη χρήση ειδικής αντλίας, θέρμανση νερού με αντίσταση) ή αποθηκεύεται σε μπαταρίες ή άλλες συσκευές αποθήκευσης ενέργειας με τη χρήση ρυθμιστών φόρτισης .

Ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα μπορεί να καλύψει οποιεσδήποτε ανάγκες. Ο περιορισμός συνήθως είναι το διαθέσιμο κεφάλαιο και όχι η διαθέσιμη τεχνολογία. Όταν υπάρχει και άλλη πηγή ενέργειας στο σύστημα (π.χ. ανεμογεννήτρια, ηλεκτρογεννήτρια, υδροηλεκτρική γεννήτρια) αυτό λέγεται υβριδικό.

Το ρεύμα που αποθηκεύεται στις μπαταρίες είναι συνεχές ρεύμα (DC), με ονομαστική τάση 12, 24 ή 48V. Μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε απ'ευθείας συνδέοντας συσκευές σχεδιασμένες για λειτουργία με συνεχές ρεύμα ονομαστικής τάσης ίδιας με αυτή της μπαταρίας. Αυτό είναι εξαιρετικά εύκολο εάν θέλουμε να τροφοδοτήσουμε μόνο φωτισμό καθώς υπάρχει μεγάλη διαθεσιμότητα λαμπτήρων 12/24/48V DC. Αυτό δεν είναι τόσο εύκολο και οικονομικό για τις υπόλοπες συσκευές (με ελάχιστες εξαιρέσεις όπως ανεμιστήρες, ραδιόφωνα), έτσι τα περισσότερα αυτόνομα φωτοβολταϊκά χρησιμοποιούν μετατροπείς (inverters), συσκευές οι οποίες μετατρέπουν το συνεχές ρεύμα της μπαταρίας σε εναλλασσόμενο (220V AC), το οποίο μπορεί να τροφοδοτήσει κάθε κοινή οικιακή συσκευή. 

Φορτία και καταναλώσεις

"Φορτίο" είναι οποιαδήποτε συσκευή τροφοδοτείται από το σύστημά μας. Η κατανάλωσή της μετριέται σε kWh ανά ημέρα (ή οποιαδήποτε άλλη μονάδα χρόνου). Για να μπορέσουμε να αντιληφθούμε και να υπολογίσουμε την κατανάλωση θα πρέπει να καταλάβουμε τρείς βασικές έννοιες, το Έργο, την Ισχύ και την Ενέργεια.

Όταν μεταβάλλεται η κινητική κατάσταση ενός σώματος παράγεται έργο. Για να σηκώσουμε ένα βάρος περίπου 10kgr απαιτείται μια δύναμη περίπου 100N(Newton). Εάν το σηκώσουμε σε ύψος ενός μέτρου παράγουμε έργο (100x1=) 100Joule. Για να το καταφέρουμε αυτό, έχουμε σπαταλήσει 100Joule ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να διαθέτουμε την ενέργεια πριν παράγουμε το έργο και αυτή καταναλώνεται για την παραγωγή του. Εάν απλά διαθέτουμε την ενέργεια χωρίς να τη χρησιμοποιούμε, δεν παράγουμε έργο. Ισχύς είναι ο ρυθμός με τον οποίο παράγουμε έργο (ή καταναλώνουμε ενέργεια). Εάν χρειαστούμε 1 δευτερόλεπτο για να σπρώξουμε το σώμα, η ισχύς μας είναι 100W. Εάν χρειαστούμε 2 δευτερόλεπτα η ισχύς μας είναι 50W αλλά το παραγόμενο έργο και η καταναλισκόμενη ενέργεια εξακολουθούν να είναι 100J. Το Watt (W) ώς μονάδα ισχύος ισοδυναμεί με ένα J ανά δευτερόλεπτο δηλαδή 1J/sec. Αντίστοιχα, 1 Joule ισοδυναμεί με ένα W για ένα δευτερόλεπτο, δηλαδή 1Wx1sec.

Αν προσπαθήσουμε να επεκτείνουμε το παραπάνω παράδειγμα για ηλεκτρικά φορτία σε ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα αγνοώντας απώλειες μετατροπής κλπ:

Έστω ότι θέλουμε να θερμάνουμε (ή να ψύξουμε) ένα σπίτι για 8 ώρες με ένα air-condition το οποίο έχει σταθερή ισχύ εισόδου 2000W (δηλαδή 2000 Joule/sec). Ας αγνοήσουμε χάριν παραδείγματος το γεγονός ότι τα A/C λειτουργούν σαν αντλίες θερμότητας παράγοντας (φαινομενικά) περισσότερο έργο από την ενέργεια που καταναλώνουν θεωρώντας έναν συντελεστή απόδοσης (COP)=1. Το έργο που θα παραχθεί από το A/C θα είναι: 8 (ώρες)x3600(δευτερόλεπτα/ώρα)x2000(Joule/sec)=57.600.000 Joules ή Wxsec. Εάν θελήσουμε να χρησιμοποιήσουμε μια πιο βολική μονάδα, όπως για παράδειγμα W x hour ή "Βατώρα" τότε θα πρέπει να διαιρέσουμε το αποτέλεσμα με το 3600 οπότε προκύπτουν 16.000Wh ή "Βατώρες". Εάν χρησιμοποιήσουμε το πρόθεμα "k" ή "kilo", για μεγαλύτερη ευκολία, η συνολική ενέργεια θα είναι 16kWh (κιλο-βατ-ώρες), μια μονάδα γνώριμη από το λογαριασμό της ΔΕΗ.

Η ενέργεια λοιπόν την οποία θα καταναλώνει το A/C κάθε 8ωρο λειτουργίας είναι 16kWh. Σε περίπτωση που έχουμε και άλλα φορτία αρκεί να υπολογίσουμε την ημερήσια κατανάλωση του καθενός με τον ίδιο τρόπο και να αθροίσουμε τις καταναλώσεις. Η ενέργεια αυτή θα πρέπει να παράγεται καθημερινά από το φωτοβολταϊκό μας και να είναι διαθέσιμη πρίν καταναλωθεί.

Οικονομία

Όταν μια εγκατάσταση τροφοδοτείται από το Δίκτυο, συνήθως δεν δίνουμε πολλή σημασία στην κατανάλωση. Εάν πάρουμε την απόφαση να τροφοδοτήσουμε το σπίτι μας ή την επιχείρησή μας από ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα, θα πρέπει να κάνουμε όσο το δυνατόν περισσότερη οικονομία γιατί σε περίπτωση που δεν επαρκεί η παραγώμενη / αποθηκευμένη ενέργεια, σε κάποια χρονική στιγμή, (συνήθως την περισσότερο άβολη και ενοχλητική), η τάση της μπαταρίας θα πέσει κάτω από το όριο ασφαλείας, ο inverter θα κλείσει και δεν θα έχουμε ρεύμα!

Γενικά, εφαρμόζουμε τους παρακάτω κανόνες:

• Ό,τι δεν είναι απαραίτητο είναι περιττό
• Ο ηλιακός θερμοσίφωνας είναι απαραίτητος
• Το μαγείρεμα είναι καλύτερο με υγραέριο και στα κάρβουνα (εάν τηρούμε όλους τους κανόνες ασφαλείας)
• Οι ηλεκτρικές θερμάστρες είναι ασύμφορες
• Οι αντλίες θερμότητας / Air Condition με Inverter είναι μια βιώσιμη λύση
• Το ψυγείο πρέπει να είναι οικονομικό και η πόρτα να ανοίγει για λίγο και μόνο όταν χρειάζεται
• Δεν αφήνουμε συσκευές στο stand-by
• Ο inverter πρέπει να είναι στο κατάλληλο μέγεθος, όχι πολύ μεγαλύτερος και οπωσδήποτε όχι μικρότερος.

Χαρακτηριστικά Αυτόνομου Φωτοβολταϊκού

Για να μπορέσουμε να περιγράψουμε, να συγκρίνουμε, να παραγγείλουμε και να κατασκευάσουμε ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα θα πρέπει να ξέρουμε τα χαρακτηριστικά του, τα κυριότερα από τα οποία είναι:

• Η εγκατεστημένη ισχύς των φωτοβολταϊκών σε Wp
• Η αναμενόμενη ημερήσια παραγωγή του συστήματος kWh
• Η δυνατότητα αποθήκευσης των μπαταριών σε Ah και σε Wh
• Η αυτονομία του συστήματος
• Η ονομαστική τάση λειτουργίας (DC)
• Η μέγιστη ισχύς του μετατροπέα (W ή VA)
• Η ισχύς εκκίνησης του μετατροπέα (W ή VA)

Εγκατεστημένη Ισχύς

Για να υπολογίσουμε κατά προσέγγιση την απαραίτητη εγκατεστημένη ισχύ φωτοβολταϊκών διαιρούμε την ημερήσια κατανάλωση σε kWh με 6h εάν χρησιμοποιούμε το σύστημα μόνο το καλοκαίρι και με 2h εάν το χρησιμοποιούμε όλο το χρόνο. Εάν το σύστημα είναι "mission critical", δηλαδή πρέπει να δουλεύει κάθε μέρα του χρόνου ανεξαιρέτως και τυχόν αστοχία είναι δραματική, πολλαπλασιάζουμε με το 1.5 (ή και το 2, ανάλογα με το συντελεστή ασφαλείας που επιθυμούμε). Έτσι προκύπτει η ισχύς των φωτοβολταϊκών σε kW. Στην περίπτωση του A/C που απαιτεί 16kWh ημερησίως η ισχύς είναι περίπου 2.7kWp για λειτουργία μόνο το καλοκαίρι και 8kWp για λειτουργία όλο το χρόνο. Εάν η εγκατάσταση είναι "mission critical", η εγκ. ισχύς διαμορφώνεται αντίστοιχα σε 4 και 12kWp. Η εγκατεστημένη ισχύς επηρεάζεται επίσης από τα διαθέσιμα φωτοβολταϊκά. Εάν η απαιτούμενη ισχύς είναι 2.7kWp και τα διαθέσιμα πάνελ είναι των 200W θα επιλέξουμε 14x200=2.8kWp. Εάν αυτό περιορίζεται από τη μέγιστη τάση ή ρεύμα εισόδου του ρυθμιστή φόρτισης ή του inverter δικτύου όπου θα τα συνδέσουμε, ίσως χρειαστεί να επανεξετάσουμε το σχεδιασμό μας ή να επιλέξουμε διαφορετικά υλικά. Όταν συγκρίνουμε δυο συστήματα, μικροδιαφορές στην εγκατεστημένη ισχύ (έως και 5%) δεν έχουν και τόση σημασία.

Ημερήσια Παραγωγή

Η ημερήσια παραγωγή ενός φωτοβολταϊκού συστήματος δεν είναι σταθερή, και εξαρτάται (εκτός από την εγκατεστημένη ισχύ) από παράγοντες όπως:

• Η εποχή του έτους. Το χειμώνα η παραγωγή μπορεί να είναι μέχρι και 4 φορές μικρότερη απ'ότι το καλοκαίρι
• Η τοποθεσία εγκατάστασης. Στην Κρήτη και την Πελοπόννησο η παραγωγή μπορεί να είναι από 20 μέχρι και 35% παραπάνω απ'ότι στη Μακεδονία
• Οι καιρικές συνθήκες. Μια συννεφιασμένη ή βροχερή ημέρα, η παραγωγή μπορεί να είναι σχεδόν μηδενική
• Η κατάσταση των συλλεκτών. Εάν η επιφάνεια είναι λερωμένη, η παραγωγή μπορεί να είναι δραματικά μειωμένη
• Μόνιμες σκιάσεις. Εάν υπάρχουν στο σημείο εγκατάστασης η παραγωγή θα είναι μειωμένη
• Κλίση εγκατάστασης (γωνία σε σχέση με το οριζόντιο επίεδο) Διαφορετικές γωνίες ευνοούν την παραγωγή σε διαφορετικές εποχές του χρόνου
• Κατεύθυνση εγκατάστασης (Γωνία σε σχέση με τη διεύθυνση του Βορρά)
• Η δυνατότητα αποθήκευσης των μπαταριών σε Ah και σε Wh

Η χωρητικότητα των μπαταριών σε Ah συνήθως αναγράφεται. Προσοχή στο ρυθμό εκφόρτισης (C) στον οποίο έχει υπολογιστεί, καθώς μια μπαταρία 12V/100Ah(C10) έχει μεγαλύτερη χωρητικότητα από μια μπαταρία 12V/100Ah(C100). Όταν έχουμε συστοιχία μπαταριών συνδεδεμένων παράλληλα η συνολική χωρητικότητα προκύπτει από το άθροισμα όλων. Όταν είναι συνδεδεμένες σε σειρά η χωρητικότητα παραμένει ίδια ενώ αυξάνεται η τάση. Εάν δηλαδή υποθέσουμε ότι έχουμε δυο μπαταρίες 200Ah/12V, εάν τις συνδέσουμε παράλληλα η συνολική χωρητικότητα είναι 400Ah@12V, ενώ αν τις συνδέσουμε σε σειρά είναι 200Ah@24V. Και στις δυο περιπτώσεις, η πραγματική χωρητικότητα σε Wh είναι η ίδια, δηλαδή 4800Wh (400x12 = 200x24)

Η αυτονομία του συστήματος

Αυτονομία του συστήματος είναι οι συνολικές ημέρες τις οποίες μπορεί να λειτουργήσει εάν δεν υπάρχει ηλιοφάνεια, και προκύπτει διαιρόντας τη συνολική χωρητικότητα των μπαταριών σε kWh με την ημερήσια κατανάλωση σε kWh. Εάν καταναλώνουμε 1kWh ημερησίως και οι μπαταρίες μας έχουν 4800Wh, ή 4.8kWh, τότε η αυτονομία μας είναι σχεδόν 5 ημέρες.

Η ονομαστική τάση λειτουργίας (DC)

Η ονομαστική τάση του συστήματος είναι η τάση των μπαταριών. Γενικά, όσο μεγαλύτερη τόσο καλύτερα καθώς ένα σύστημα 48V απαιτεί μικρότερα ρεύματα για την ίδια ισχύ.

Η μέγιστη ισχύς του μετατροπέα (W ή VA)

Η μέγιστη ισχύς του μετατροπέα μας πρέπει να υπερκαλύπτει τη μέγιστη ισχύ όλων των φορτίων που θέλουμε να λειτουργήσουμε παράλληλα. Εάν έχουμε για παράδειγμα μια τοστιέρα (1000W) και μία καφετιέρα (1000W), εάν θέλουμε να λειτουργούμε και τις δυο συσκευές παράλληλα χρειαζόμαστε έναν μετατροπέα μέγιστης ισχύος 2kVA. Εάν τις λειτουργούμε εκ περιτροπής, αρκεί ένας μετατροπέας ισχύος 1000W. Και οι δύο συσκευές είναι καθαρά ωμικά φορτία (αντιστάσεις), οπότε η φαινόμενη ισχύς τους (kVA) είναι ίση με την ενεργό ισχύ τους (kW). Σε περίπτωση που τα φορτία μας ήταν επαγωγικά φορτία (λάμπες φθορισμού, κινητήρες) θα έπρεπε να συνυπολογίσουμε και τον συντελεστή ισχύος. Εάν ο συντελεστής ισχύος ήταν 80%, τότε η απαραίτητη φαινόμενη ισχύς του μετατροπέα (kVA) θα έπρεπε να είναι μεγαλύτερη κατά 20%. Εάν δηλαδή το φορτίο μας ήταν κινητήρας με μέγιστη ισχύ 1000W, ο μετατροπέας θα έπρεπε να έχει ισχύ τουλάχιστον 1200VA. Στη συγκεκριμένη βέβαια περίπτωση, γενικά θα ήταν καλό να επιλέξουμε έτσι κι'αλλιώς αρκετά μεγαλύτερο μετατροπέα, καθώς οι περισσότεροι κινητήρες απαιτουν γενικά αρκετά μεγαλύτερη ισχύ εκκίνησης...

Η ισχύς εκκίνησης του μετατροπέα (W ή VA)

Πολλά φορτία έχουν αρκετά μεγαλύτερη ισχύ εκκίνησης, δηλαδή απαιτούν πολλαπλάσια ισχύ κατά την εκκίνησή τους. Το πιο αντιπροσωπευτικό παράδειγμα είναι το μοτέρ των ψυγείων, το οποίο ενώ μπορεί να έχει ισχύ 100W, κατά τις εκκινήσεις μπορεί να απαιτεί στιγμιαία έως και 2000VA, ανάλογα με την παλαιότητα, την κατάσταση και την τεχνολογία.