Αρχή λειτουργίας αυτόνομου

Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια είναι πηγές σταθερού συνεχούς ρεύματος, οι οποίες μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρικό ρεύμα. Κατάλληλες διατάξεις (φωτοβολταϊκά στοιχεία) αποτελούμενες κυρίως από πυρίτιο διαφορετικών προσμίξεων (δίοδος p-n), εκματαλλευόμενες το φωτοβολταϊκό φαινόμενο "Hall" (πρόσπτωση φωτονίων ηλιακής ακτινοβολίας αναγκάζουν χημικούς δεσμούς της διόδου p-n να ελευθερώσουν ηλεκτρόνια η κίνηση των οποίων αποτελεί ηλετρικό ρεύμα), παράγουν ρεύμα συνεχές ανάλογα με την ένταση ηλιακής ακτινοβολίας. Διάφοροι κανόνες (τάση συστοιχίας συσσωρευτών, χαρακτηριστικά ελεγκτή φόρτισης) ορίζουν την τοπολογία σύνδεσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων (αριθμός εν σειρά πλαισίων και αριθμός εν παραλλήλω κλάδων). Το ρεύμα αυτό μέσω κατάλληλης διάταξης που ονομάζεται ρυθμιστής φόρτισης φορτίζει τις μπαταρίες του αυτόνομου συστήματος. Συνεπώς τα φωτοβολταϊκά πλαίσια συνδέονται με το ρυθμιστή φόρτισης.

Η ανεμογεννήτρια είναι η διάταξη εκείνη που μετατρέπει την αιολική ενέργεια σε ηλεκτρική. Η κίνηση που προκαλείται στην φτερωτή της ανεμογεννήτριας από τον άνεμο, περιστρέφει το κινητό μέρος (ρότορας) μιας ηλεκτρικής γεννήτριας. Το στρεφόμενο ηλεκτρικό πεδίο επάγει ρεύμα στο σταθερό μέρος (στάτορα) της γεννήτριας. Παρομοίως μέσω ελεγκτή φόρτισης η ανεμογεννήτρια φορτίζει τις μπαταρίες. Συνεπώς και η ανεμογεννήτρια συνδέεται με έναν ελεγκτή φόρτισης (αν έχει ενσωματωμένο ελεγκτή συνδέεται απευθείας στις μπαταρίες).

Ο ελεγκτής φόρτισης είναι η ηλεκτρονιή εκείνη συσκευή που αναλαμβάνει τη σωστή διοχέτευση της προσλαμβανόμενης ισχύος από τον ήλιο και τον άνεμο στις μπαταρίες. Με απλά λόγια λαμβάνουν πχ 70Volts και 9Α από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια και δίνουν 26Volts και περίπου 24Α σε μία 24βολτη συστοιχία. Επίσης αναλαμβάνει την αποσύνδεση των μπαταριών από την πηγή σε περίπτωση υπερφόρτωσης καθώς και διαδικασίες εξισορρόπησης (equalization). Οι ρυθμιστές μπορεί να είναι "απλοί" (PWM) ή "έξυπνοι" (MPPT). Χαρακτηρίζονται από την τάση την οποία μπορούν να ελέγξουν (μπαταρίες) και την ισχύ των πλαισίων που μπορεί να συνδεθεί μαζί τους. Οι ρυθμιστές φόρτισης συνδέονται με τη συστοιχία συσσωρευτών.

Οι συσσωρευτές (μπαταρίες φωτοβολταϊκών) είναι πηγές σταθερής τάσης και χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση της ηλιακής ή αιολικής ενέργειας ώστε αυτή να μην πηγαίνει χαμένη όταν δεν υπάρχει ζήτηση και να χρησιμοποιηθεί όταν υπάρχει ζήτηση αλλά όχι προσφορά ηλιακής (νύχτα, συννεφιά) ή αιολικής ενέργειας (άπνοια). Η αποθήκευση της ενέργειας γίνεται σε κατάλληλα διαλύματα ηλεκτρολύτη (πχ μολύβδου - θειϊκού οξέος) μέσω ηλεκτροδίων και διέπεται από συγκεκριμένες χημικές αντιδράσεις. Η ενέργεια λαμβάνεται πίσω μέσω των ηλεκτροδίων με αντιστροφή της χημικής διεργασίας. Υπάρχουν μπαταρίες κλειστού τύπου και ανοιχτού τύπου. Χαρακτηρίζονται από την τάση (V), την χωρητικότητα (Ah) και τους κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης σε συγκεκριμένες συνθήκες. Το γινόμενο της τάσης και της χωρητικότητας δίνουν την αποθηκευμένη ισχύ ενώ οι κύκλοι φόρτισης-εκφόρτισης την αναμενόμενη διάρκεια ζωής για συγκεκριμένο ποσοστό εκφόρτισης. Η επιλογή της τάσης της συστοιχίας (12, 24, 48Volts) γίνεται ανάλογα με το μέγεθος του συστήματος. Η τοπολογία σύνδεσής τους (παράλληλα-σε σειρά) επιλέγεται βάσει του μεγέθους του συστήματος και των διαθέσιμων στοιχείων (2βολτα, 6βολτα, 12βολτα). Δεν αποτελεί αντικείμενο της παρούσης ενότητας περαιτέρω εμβάθυνση. Η συστοιχία συσσωρευτών συνδέεται με τους ελεγκτές φόρτισης και με τον αντιστροφέα.

Ο αντιστροφέας είναι η διάταξη εκείνη που αναλαμβάνει την μετατροπή της τάσης των μπαταριών από συνεχή (12, 24, 48VDC, 0HZ) σε εναλλασσόμενη (230VAC, 50Hz). Συνήθως στα αυτόνομα φωτοβολταϊκό περιέχει μετασχηματιστή ο οποίος κάνει τη μετατροπή τάσης ενώ ταυτόχρονα παρέχει και κατάλληλη απομόνωση προστασίας. Η ισχύς του αντιστροφέα καθορίζει την ισχύ των ηλεκτρικών φορτίων που δύναται να είναι ταυτόχρονα εν λειτουργία (πχ ένας αντιστροφέα 3.000Watts επιτρέπει τη λειτουργία ταυτόχρονα μία ηλεκτρικής σκούπας 1600Watts και ενός κλιματιστικού 900Watts, όχι όμως της σκούπας με ένα πλυντήριο ισχύος 2.200Watts). Με την αύξηση της θερμοκρασίας πέφτει η απόδοση και η ικανότητα μέγιστης ισχύος του αντιστροφέα. Ο αντιστροφέας συνδέεται από την DC πλευρά με τις μπαταρίες και από την AC πλευρά με τον ηλεκτρικό πίνακα AC και συνεπώς τις ηλεκτρικές καταναλώσεις.

Είναι η διάταξη που δίνει τη δυνατότητα φόρτισης της συστοιχίας συσσωρευτών από άλλη πηγή ρεύματος όπως είναι μία γεννήτρια ή το δημόσιο δίκτυο. Συνήθως είναι ενσωματωμένος στον αντιστροφέα. Από την μία πλευρά ενώνεται με την δευτερεύουσα πηγή και από την άλλη με τις μπαταρίες.