w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 3 / 2 0 0 5

a u t o m a t y k a

44

a u t o m a t y k a

P

rzedstawiona tu sytuacja wynika
z wielu czynników. Najważniejszy

z nich, to konieczność poszukiwania
nowych, alternatywnych źródeł ener-
gii. Energia otrzymywana z ogniw sło-
necznych, jako rezultat bezpośrednie-
go przetworzenia energii promienio-
wania słonecznego w energię elek-
tryczną, jest najbardziej obiecującą for-
mą produkcji energii elektrycznej, któ-
ra w żaden sposób nie zagraża środo-
wisku naturalnemu. Taki sposób wy-
twarzania energii elektrycznej pozwa-
la między innymi na specyficzne za-
stosowania, np. w układach wymaga-
jących zasilania, a oddalonych od źró-
deł konwencjonalnych, oraz w przy-
padkach, gdy nie jest uzasadnione bu-
dowanie linii zasilających ze względu
na koszty. Interesującym i intensyw-
nie rozwijanym obszarem zastosowań
fotowoltaiki jest tzw. infrastruktura
drogowa, rozumiana jako wyposaże-
nie w odpowiednie znaki informacyj-
ne i organizujące ruch: dróg, autostrad
i wszelkiego rodzaju skrzyżowań.

klasyfikacja systemów
fotowoltaicznych

Podstawowym elementem każdego

systemu fotowoltaicznego jest genera-
tor fotowoltaiczny, czyli struktura zło-
żona z odpowiedniej liczby połączonych
szeregowo ogniw słonecznych, zwanych
jednostkowymi, tworzących tzw. moduł
fotowoltaiczny, czyli element o określo-

nych parametrach charakterystycznych,
takich jak napięcie, prąd i moc. Cechy te
charakteryzują każdy rodzaj modułu wy-
konanego na bazie krzemu, niezależnie
od zastosowanej technologii [1]. Syste-
my fotowoltaiczne z punktu widzenia
ich konstrukcji najogólniej można po-
dzielić na dwie zasadnicze grupy: sta-
cjonarne i nadążne.

Z punktu widzenia zastosowań sys-

temów fotowoltaicznych, w układach
infrastruktury drogowej interesujące
są tylko układy stacjonarne. Układy
takie będą pracowały jako systemy au-
tonomiczne, zasilające konkretne od-
biorniki, na ogół stałoprądowe.

stacjonarne systemy
fotowoltaiczne

Podstawowy schemat systemu fo-

towoltaicznego stacjonarnego przed-
stawiono na rysunku 1.

System stacjonarny (rys. 1) składa się

z kilku zasadniczych elementów:

generatora fotowoltaicznego (GF),

o mocy elektrycznej dobranej do
konkretnego odbiornika,

regulatora (R), pod tym pojęciem

będziemy rozumieć urządzenie
elektroniczne, które w zależno-
ści od przeznaczenia może pełnić
w systemie wielorakie funkcje,
np. regulacyjne, przełączające itp.,

baterii akumulatorów (BA), peł-

niących funkcje magazynu ener-
gii elektrycznej, potrzebnej do za-
silania odbiornika w okresach,

kiedy generator fotowoltaiczny
nie jest oświetlony,

odbiornika (O), np. lampy diodo-

wej, czyli elementu, który musi
być aktywny w ściśle określonych
przedziałach czasowych, np. od
zmierzchu do świtu.
Istotną cechą układów stacjonar-

nych (stąd zresztą wywodzi się ich
nazwa) jest sposób montażu genera-
tora fotowoltaicznego. Najczęściej ge-
nerator fotowoltaiczny zainstalowa-
ny jest w stałym położeniu względem
powierzchni Ziemi i skierowany na
południe (jeżeli nie znajduje się po-

systemy fotowoltaiczne
w infrastrukturze drogowej

prof. n. dr hab. inż. Jerzy Chojnacki, mgr inż. Łukasz Więckowski – Akademia Górniczo-Hutnicza

W ostatnich kilku latach obserwuje się coraz powszechniejsze zastosowania różnego ro-
dzaju systemów fotowoltaicznych w bardzo wielu obszarach ludzkiej działalności. Do-
wodem tego jest gwałtowny przyrost zapotrzebowania na moduły fotowoltaiczne (zwa-
ne także ogniwami słonecznymi). W ostatnich trzech latach roczne przyrosty produkcji
modułów fotowoltaicznych wynoszą 36 % i mają ciągle tendencję wzrostową. Tak wiel-
ki przyrost zapotrzebowania spowodował bardzo poważne braki modułów fotowolta-
icznych na rynku. Obecnie wszyscy czołowi producenci mają wypełnione portfele za-
mówień do końca przyszłego roku.

Rys. 1 Schemat prostego systemu fotowoltaicznego – stacjonarnego

Rys. 2 Sposoby montażu generatorów fotowoltaicznych

e.i_03_2005.indb 44

e.i_03_2005.indb 44

2005-02-21 15:54:11

2005-02-21 15:54:11

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 3 / 2 0 0 5

45

ziomo względem powierzchni Ziemi).
Typowe sposoby montażu generato-
rów fotowoltaicznych przedstawiono
schematycznie na rysunku 2.

Oczywiście w pewnych przypad-

kach układ stacjonarny może być
tak skonstruowany, że jest możli-
wość niewielkiej modyfikacji kąta
nachylenia generatora fotowoltaicz-
nego w stosunku do płaszczyzny ho-
ryzontu. Na ogół tego rodzaju korek-
cji nachylenia dokonuje się ręcznie.
Przypadki takie zostaną omówione
w dalszej części artykułu.

podstawowe założenia
do projektowania
stacjonarnych systemów
fotowoltaicznych

Projektowanie systemu fotowol-

taicznego jest procesem wieloetapo-
wym, wymagającym spełnienia kil-
ku podstawowych warunków. Naj-
istotniejsze jest precyzyjne określe-
nie zapotrzebowania na energię elek-
tryczną w ciągu doby. Następny etap
projektowania to wybór rodzaju mo-

dułu fotowoltaicznego i określenie
jego powierzchni i w konsekwen-
cji mocy elektrycznej. Ważnym eta-
pem, z punktu widzenia zastosowa-
nia, jest określenie wielkości maga-
zynu energii, czyli pojemności aku-
mulatora. Dobór właściwego rodzaju
obciążenia wynika z przeznaczenia
systemu fotowoltaicznego. W ukła-
dach stosowanych w infrastruktu-
rze drogowej są to najczęściej róż-
nego rodzaju źródła światła, monto-
wane na znakach drogowych i róż-
nego rodzaju tablicach ostrzegaw-
czych i informacyjnych. Obecnie są
to na ogół diody o dużej intensyw-
ności świecenia i relatywnie małym
poborze prądu. Ma to swoje konse-
kwencje w coraz szerszym stosowa-
niu źródeł fotowoltaicznych do zasi-
lania różnych urządzeń, mimo rela-
tywnie niewielkiej sprawności tych
generatorów energii.

Funkcje spełniane przez system fo-

towoltaiczny determinują złożoność
elementu systemu nazwanego regu-
latorem. Jest to w istocie układ elek-
troniczny, często o dość złożonej bu-

Rys. 3 Definicja pojęcia masy powietrza AM [2]. Wzór można stosować dla kąta ze-

nitalnego 0

≤

Θ

z

≤

70º. W przypadku większych kątów, należy uwzględniać

krzywiznę Ziemi

Rys. 4 Tablice informacyjne firmy Solartech [3]

systemy_fotowoltaiczne_w_infrastrukturze_drogowej_Chojnacki.indd 45

systemy_fotowoltaiczne_w_infrastrukturze_drogowej_Chojnacki.indd 45

2005-02-22 10:38:01

2005-02-22 10:38:01

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 3 / 2 0 0 5

a u t o m a t y k a

46

dowie, który spełnia przede wszyst-
kim funkcje regulatora napięcia łado-
wania akumulatora. Jest to niezwykle
istotne, ponieważ trwałość akumula-
tora zależy w głównej mierze od pro-
cedur jego ładowania i rozładowania.
Inne funkcje układu elektronicznego
będą zależały od przeznaczenia całe-
go systemu.

Jak już wspomniano, projektowa-

nie systemu fotowoltaicznego jest
procesem wymagającym wielokrot-
nego powtarzania, ze względu na ko-
nieczność osiągnięcia kompromisu
pomiędzy często sprzecznymi wyma-
ganiami. Należy zwrócić uwagę na to,
że projektowanie może być zrealizo-
wane metodami przybliżonymi, lub
z użyciem specjalizowanych pakie-
tów do projektowania systemów foto-
woltaicznych, np. programu PVSYST.
Zastosowanie specjalizowanych pa-
kietów nie zwalnia jednak projektan-
ta od niezbędnej ostrożności i dokład-
nej analizy uzyskanych rezultatów.
Trzeba bowiem pamiętać, że do sy-
mulacji przyjmowane są wyidealizo-
wane parametry niektórych elemen-
tów. Parametry modułów fotowolta-
icznych przyjmowane są dla standar-
dowych warunków, w jakich powin-
ny one pracować. Są to tzw. warunki
STC (

Standard Test Conditions

), okre-

ślające natężenie promieniowania sło-
necznego na poziomie 1 000 W / m

2

,

temperaturę pracy na poziomie 25

°C

oraz tzw. współczynnik masy powie-
trza AM = 1,5[2]. Sposób, w jaki zo-
stał zdefiniowany współczynnik AM,
zobrazowano na rysunku 3.

Należy podkreślić, że rzeczywiste

warunki, w jakich pracuje generator
fotowoltaiczny, są zawsze odmienne
od tych zdefiniowanych jako STC.
Już choćby zachmurzenie czy zanie-
czyszczenia atmosfery zmieniają czę-
sto w znaczącym stopniu poziom rze-
czywistego promieniowania słonecz-
nego i w konsekwencji ilość energii
dopływającej do generatora fotowol-
taicznego. Jest oczywiste, że rozkład
natężenia promieniowania słonecz-
nego jest inny w różnych porach roku.
Mogą również występować okresy
(kilka do kilkunastu dni), całkowite-
go zachmurzenia, kiedy promienio-
wanie słoneczne jest na bardzo ni-
skim poziomie, albo nie ma go wca-
le. Wszystkie te czynniki muszą być
uwzględniane w procesie projekto-
wania dowolnego systemu fotowol-
taicznego.

przykłady zastosowań

Nawiązując do tematu artykułu,

można zaprezentować najciekaw-
sze, powszechnie już stosowane au-
tonomiczne systemy fotowoltaiczne,
które znalazły zastosowanie w in-
frastrukturze drogowej. Pod użytym
tutaj pojęciem infrastruktury drogo-

wej będziemy rozumieć wyposażenie
w odpowiednie znaki informacyjne,
organizujące i zabezpieczające ruch:
dróg, autostrad i wszelkiego rodza-
ju skrzyżowań. Istnieją przypadki,
w których nie ma możliwości zasile-
nia tych urządzeń z sieci państwowej,
wtedy praktycznie jedynym źródłem
energii elektrycznej mogą być ogni-
wa słoneczne.

Jako pierwsze rozwiązanie tego

typu można przedstawić tablice in-
formacyjne produkowane przez firmę
Solartech [3]. Informacja przekazywa-
na jest użytkownikowi drogi w po-
staci graficznej. Matryca diod świetl-
nych (rys. 4) umożliwia wyświetle-
nie między innymi do trzech linii tek-
stu, symboli graficznych stałych lub
ruchomych, strzałek itp. Istnieje też
możliwość zdefiniowania własnych
symboli graficznych lub znaków.

Tablice informacyjne są urządze-

niami mobilnymi projektowanymi
z myślą o przenoszeniu ich z miejsca
na miejsce (na platformie jezdnej, na

konstrukcji stojącej jako element sa-
modzielny, lub jako urządzenie moco-
wane na pojeździe). Cały system in-
formacyjny zasilany jest z generato-
ra fotowoltaicznego (GE), o mocy 225,
300, 375 lub 450 [W], instalowanego
na szczycie tablicy informacyjnej, któ-
rej wysokość wynosi ok. 2,5 m.

Bateria akumulatorów (BA) skła-

da się z 4 akumulatorów o pojemno-
ści 600 Ah i napięciu znamionowym
12 V każdy. Akumulatory zainstalo-
wane są w podstawie konstrukcji,
chronione przed wpływami atmos-
ferycznymi odpowiednią obudową.
System posiada regulator ładowa-
nia akumulatora posiadający wskaź-
nik, pokazujący stan aktualnego na-
pięcia baterii, poziom jej naładowa-
nia oraz inne istotne parametry sys-
temu. Konstruktorzy rozwiązania
dostarczają do tablicy informacyj-
nej panel sterujący (rys. 5), z przy-
jaznym dla użytkownika interfej-
sem, umożliwiający zaprogramowa-
nie wyświetlanych komunikatów.

Moduł fotowoltaiczny
(GE)

Napięcie w punkcie mocy maksymalnej [V]

3.5

Prąd w punkcie mocy maksymalnej [mA]

75

Akumulator
(BA)

Napięcie znamionowe [V]

2

Pojemność [Ah]

2,5

Odbiornik energii
(O)

6 diod LED

Zużycie energii [mWS]

16,3

Tab. 1 Parametry techniczne oświetlenia punktowego nawierzchni jezdni

Moduł fotowoltaiczny
(GE)

Napięcie w punkcie mocy maksymalnej [V]

20

Prąd w punkcie mocy maksymalnej [mA]

1500

Akumulator
(BA)

Napięcie znamionowe [V]

12

Pojemność [Ah]

50

Odbiornik energii
(O)

240 diod LED

Zużycie energii [mWS]

3888

Tab. 2 Parametry techniczne oświetlenia ulicznego

Rys. 5 Panel sterowania

Rys. 6 Oświetlenie punktowe nawierzchni jezdni – produkty firmy Whalite [4]

Rys. 7 Lampa oświetlająca

e.i_03_2005.indb 46

e.i_03_2005.indb 46

2005-02-21 15:54:19

2005-02-21 15:54:19

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 3 / 2 0 0 5

47

Zarówno panel, jak i całość prezen-
towanego rozwiązania są również
odporne na działania czynników
atmosferycznych oraz mechanicz-
nych, ważnych ze względu na zasto-
sowanie. Dokładne dane techniczne
prezentowanych tablic informacyj-
nych oraz osprzętu zamieszczone są
na stronie producenta [3].

Podobne rozwiązania promuje

tajwańska firma Whalite [4], któ-
ra w swoim asortymencie oferu-
je autonomiczne systemy organi-
zujące i zabezpieczające ruch dro-
gowy. W ofercie firmy można zna-
leźć między innymi podświetlane
znaki drogowe, tablice informa-
cyjne (zastosowanie typowe dla
autostrad, dworców, ulic itp.) czy
na przykład sygnalizatory świetl-
ne dla organizacji ruchu skrzyżo-
wań, sygnalizatory ostrzegawcze
zapór kolejowych, a także, syste-
my oświetlenia ulicznego i dodat-
kowego: m.in. światła punktowe,
mocowane w nawierzchni jezdni
(rys. 6)

, które znajdują zastosowa-

nie w podświetlaniu pasów starto-
wych na lotniskach, rozjazdach au-
tostradowych itp.) Wszystkie wyżej
wymienione rozwiązania są syste-
mami całkowicie samodzielnymi,
niewymagającymi podłączenia do
stacjonarnych źródeł energii elek-
trycznej.

Światła punktowe, pomimo ma-

łych rozmiarów (średnica 168 mm,
wysokość 66 mm) zamknięte w obu-
dowie o klasie szczelności IP68, są
małymi układami fotowoltaiczny-
mi. Zbudowane są jak każdy system
tego typu z miniaturowego generato-
ra fotowoltaicznego (GF), akumulato-
ra (BA) oraz regulatora (R).

Odbiornikiem energii (O) jest tutaj

układ 6 diod świecących LED, który
regulator załącza przy progu oświetle-
nia zewnętrznego o wartości poniżej
300 luksów. Układ zaprojektowany
jest do pracy w trybie 12-godzinym.
Podstawowe parametry techniczne
urządzenia zaprezentowane zostały
w tabeli 1.

Urządzenie będzie pracować nie-

zawodnie, nawet przy zakładanym
15-dniowym okresie słabego nasło-
necznienia. W tym przypadku zało-
żenia, takie jak: precyzyjne określe-
nie zapotrzebowania na energię elek-
tryczną w ciągu doby, wybór rodza-
ju modułu fotowoltaicznego, okre-
ślenie pojemności magazynu ener-
gii, właściwy wybór zastosowanego
obciążenia zostały spełnione przez
projektanta.

Następne przykłady to systemy

oświetlenia ulicznego zasilane ener-
gią słoneczną – rys. 7 i 8.

Jak widać, cechą charakterystycz-

ną tego typu układów jest moduł fo-
towoltaiczny instalowany na szczycie
masztu nośnego w sposób umożliwia-
jący odpowiednie jego zorientowanie
względem kierunku padania promie-
ni słonecznych.

Energia z generatora fotowolta-

icznego podczas dnia magazyno-
wana jest w akumulatorze znajdu-
jącym się u podstawy lampy. Od-
biornikiem zmagazynowanej ener-
gii i źródłem światła jest tutaj układ
240 diod świetlnych LED. Nad roz-
pływem i prawidłowym poziomem
energii w systemie czuwa regula-
tor. Regulator również załącza układ
oświetlenia przy odpowiednio ni-
skim progu oświetlenia zewnętrz-
nego ustawianym przez użytkow-
nika (zazwyczaj jest to zakres rzędu
50-300 luksów). Obsługa techniczna

Rys. 8 Lampa oświetlająca w nocnym

cyklu pracy

e.i_03_2005.indb 47

e.i_03_2005.indb 47

2005-02-21 15:54:24

2005-02-21 15:54:24

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 3 / 2 0 0 5

a u t o m a t y k a

48

reklama

systemu ogranicza się do prostych
okresowych czynności mycia modu-
łu fotowoltaicznego i sprawdzenia
stanu połączeń elektrycznych lam-
py ulicznej. Tu również projektan-
ci założyli 12-godzinny tryb pracy
lamp oraz przewidywali możliwość
wystąpienia 15-dniowego okresu
słabego nasłonecznienia. W tabe-
li 2

zaprezentowane zostały para-

metry techniczne urządzenia.

Zaprezentowane w artykule przy-

kłady wskazują na coraz powszech-
niejsze zastosowania różnego rodza-
ju systemów fotowoltaicznych. Jest
to jednak mały wycinek światowego
rynku, w którym fotowoltaika znaj-
duje już zastosowanie. Artykuł ma
na celu zaciekawienie tematem pol-
skich projektantów, konstruktorów
i dystrybutorów urządzeń. Ze wzglę-
du na ograniczone ramy artykułu
nie jest możliwe przedstawienie do-
kładnych procedur projektowania
systemów fotowoltaicznych, któ-
re omówiono wyżej. Należy jednak
zwrócić uwagę na rzeczywiste pro-

blemy związane z projektowaniem
i wytwarzaniem choćby takich ukła-
dów, o jakich wspomnieliśmy. Pro-
jektowanie systemów fotowoltaicz-
nych powinno być realizowane za
pomocą specjalistycznych pakietów,
jednak aby mieć pewność, że system
jest poprawnie zaprojektowany, na-
leży używać co najmniej dwóch ta-
kich pakietów. W pewnych przypad-
kach wygodniej jest używać otwar-
tych środowisk symulacyjnych, jak
np. MATLAB / SIMULINK. Środowi-
sko to pozwala projektantowi na
elastyczne zamodelowanie dowol-
nego systemu PV bez ograniczeń,
którymi charakteryzują się progra-
my specjalizowane.

Odrębnym zagadnieniem jest do-

bór odpowiednich urządzeń składa-
jących się na system fotowoltaiczny.
Podstawowy problem to właściwy
dobór generatora fotowoltaicznego.
Analiza przytoczonych wyżej tabel
opisujących charakterystyczne para-
metry poszczególnych układów po-
zwala stwierdzić, że w niektórych

rozwiązaniach zastosowano typo-
we moduły o napięciu nominalnym
12 V, natomiast w niektórych przy-
padkach zastosowano ogniwa sło-
neczne o napięciach znamionowych
2 V. W tym ostatnim przypadku mo-
żemy napotkać na pewne trudności,
ponieważ generator fotowoltaiczny
musi być wykonany tylko do okre-
ślonego celu. W Polsce nie ma ani
jednego producenta ogniw słonecz-
nych, stąd konieczność zakupów za
granicą. Należy mieć świadomość,
że typowe moduły fotowoltaiczne
o napięciach znamionowych 12 V
będą znacznie tańsze od małych
modułów np. 2 V, wykonywanych
do specjalnych zastosowań (oczy-
wiście w przeliczeniu na jeden wat
mocy). Aspekt ekonomiczny w pro-
jektowaniu systemów fotowoltaicz-
nych jest niezwykle istotny i dlate-
go należy mu poświęcić wiele uwa-
gi. Innym problemem jest właści-
wy dobór urządzeń regulacyjnych.
Tutaj sytuacja jest podobna do opi-
sanej wyżej, w kraju brak doświad-

czonych producentów tego rodza-
ju urządzeń. W niektórych insty-
tutach prowadzone są prace apli-
kacyjne zmierzające do opracowa-
nia profesjonalnych urządzeń regu-
lacyjnych, ale dystans dzielący ja-
kość tych produktów w stosunku
do rozwiązań wyspecjalizowanych
firm zagranicznych jest jeszcze bar-
dzo duży. Należy jednak mieć na-
dzieję, że pojawią się w kraju pro-
ducenci wszystkich niezbędnych
komponentów systemów fotowol-
taicznych.

literatura

1. T. Markvart, L.Castaňer, Photo-

voltaics Fundamentals and Ap-
plications, Elsevier, 2003 r.

2. Z. Pluta, Podstawy teoretyczne

fototermicznej konwersji energii
słonecznej, Wydawnictwo Poli-
techniki Warszawskiej 2000 r.

3. SolarTech – www.solartechnolo-

gy.com.

4. Whalite – www.whalite.com.tw.

e.i_03_2005.indb 48

e.i_03_2005.indb 48

2005-02-21 15:54:27

2005-02-21 15:54:27