MODELOWANIE I KOMPUTEROWA SYMULACJA WYBRANYCH TYPÓW OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH

Transkrypt

1 MODELOWANIE I KOMPUTEROWA SYMULACJA WYBRANYCH TYPÓW OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH HEIM Dariusz 1 KRAWCZYŃSKI Sebastian 2 1 Katedra Fizyki Budowli i Materiałów Budowlanych, Politechnika Łódzka 2 Absolwent Wydziału Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska PŁ MODELLING AND NUMERICAL SIMULATION SELECTED TYPES OF PV CELLS The proper designing of PV systems requires the use of suitable equipment for building energy simulation. It enables to design the best position of the PV array, as well as the right quantity of produced energy in different cases. Modelling building integrated photovoltaic (PV) in building energy simulation are complex and required advanced numerical techniques. The PV responds to many environmental influences like: irradiance level, its spectral distribution, temperature and electrical characterisation of PV modules. Modelling of three single PV array in ESP-r is presented in this paper. Computer simulations have been carried out with the use of TMY data for Warsaw, taking into consideration direct and diffuse solar radiation and temperature. The amount of energy produced by PV array during the whole year, as well as the change of power output within selected summer and winter weeks, have been calculated. STRESZCZENIE W pracy omówiono podstawowe zagadnienia dotyczące modelowania sprzężonych procesów pochłaniania i konwersji energii promieniowania słonecznego na energię cieplną i elektryczną. W przedstawionych modelach zdefiniowanych dla trzech typów ogniw fotowoltaicznych uwzględniono zarówno parametry optyczno-geometryczne modułu jak i charakterystyki prądowo-napięciowe ogniwa. Symulacje komputerowe wykonano przy pomocy programu ESP-r dla dwóch wybranych okresów Typowego Roku Meteorologicznego; tygodnia lata i zimy odpowiednio o największej i najmniejszej ilości promieniowania słonecznego. Dodatkowo dla potrzeb analiz energetycznych symulacje przeprowadzono dla pełnego roku kalendarzowego. W obliczeniach uwzględniono zarówno zmianę promieniowania bezpośredniego i rozproszonego jak i zmianę temperatury otoczenia wpływającej bezpośrednio na wydajność ogniw fotowoltaicznych. 1. WSTĘP Wśród wielu niekonwencjonalnych źródeł pozyskiwania energii coraz większym zainteresowaniem cieszą się systemy fotowoltaiczne (PV). Przetwarzając promieniowanie słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną, bez ubocznej produkcji zanieczyszczeń, hałasu i innych czynników są przyjazne i nie wywołują niekorzystnych zmian w środowisku naturalnym. 126

2 Efekt fotowoltaiczny został po raz pierwszy zaobserwowany przez francuskiego fizyka Edmonda Becquerela w 1839 roku, jednak dopiero pod koniec lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku ogniwa fotowoltaiczne znalazły zastosowanie w technologiach kosmicznych przy zasilaniu satelitów [1]. Lata sześćdziesiąte stały się dekadą postępu technologicznego, dzięki zapotrzebowaniu na lekkie i niezawodne źródła energii w pojazdach międzyplanetarnych, zaś od początku lat 80-tych z powodzeniem stosowane są także w budownictwie, jako systemy zintegrowane z bryłą i instalacją elektroenergetyczną budynków. Właściwe zaprojektowanie systemów fotowoltaicznych wymaga użycia odpowiednich narzędzi do symulacji energetycznych budynków [2,3]. Umożliwiają one zaprojektowanie najlepszej pozycji paneli fotowoltaicznych tak, aby uzyskać największe ilości produkowanej energii w różnych warunkach geograficznych, terenowych i klimatycznych. Programy komputerowe, posiadające pełne bazy szczegółowych danych meteorologicznych, uwzględniają położenie słońca, zachmurzenie i ilość promieniowania słonecznego docierającego do systemu. Często też, dopasowują przewidywany profil obciążenia w ciągu całego roku jak i pojedynczego dnia do przeciętnego słonecznego napromieniowania na danym obszarze. Programy takie niezbędne są do określenia optymalnej wielkości zestawu modułów i akumulatora oraz doboru systemu sterującego i falownika. Wydajność systemu zależy bowiem m.in. od ilości promieniowania słonecznego padającego na zestaw modułów PV. Zarówno sposób ustawienia jak i lokalizacja paneli powinny być każdorazowo projektowane przy użyciu odpowiedniego oprogramowania. Nieodpowiednie położenie i źle zintegrowana z systemami fotowoltaicznymi sieć elektroenergetyczna zamiast w znacznym stopniu obniżyć koszt pozyskania energii, może go jedynie minimalnie zredukować. 2. MODELOWANIE SYSTEMÓW ENERGII ODNAWIALNEJ Większość współczesnych programów symulacyjnych opartych jest na numerycznych metodach rozwiązywania równań. Metody numeryczne preferowane są z wielu powodów. Po pierwsze zapewniają dużą dokładność, dzięki zachowaniu integralności zmiennych przestrzennych i czasowych, a popełniany błąd jest łatwy do oszacowania. Drugą przyczyną jest możliwość otrzymania rozwiązania dla konkretnych okresów czasu. Trzecim powodem jest fakt, iż w przeciwieństwie do rozwiązania analitycznego w metodach numerycznych istnieje możliwość uwzględnienia zmiany wybranych parametrów w czasie. Zintegrowane podejście do zagadnień symulacyjnych jest niezwykle pomocne w rzeczywistym i dokładnym oddaniu fizycznego zachowania się budynku i wszystkich elementów z nim połączonych z uwzględnieniem ich wzajemnymi zależnościami. Rysunek 1 pokazuje główne obszary zagadnień, związanych z budynkiem i rozwiązywane w nowoczesnych, zaawansowanych programach symulacyjnych. Kolorem szarym zaznaczono obszary wspólne, dotyczące m.in. produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Metody numeryczne, w przeciwieństwie do analitycznych, doskonale nadają się do rozwiązywania zagadnień sprzężonych, przy założeniu dowolnego, wymaganego dla potrzeb danego zagadnienia, stopnia dokładności. Pozwalają one na wyznaczanie podstawowych parametrów fizycznych (temperatury, strumienia ciepła itp.) w pewnych określonych punktach układu węzłach, reprezentujących dane podobszary takie jak np.: fragment ściany, okno, pomieszczenie, element instalacji grzewczej, klimatyzacyjnej lub urządzenie do pozyskiwania energii odnawialnej. 127

3 Rys.1. Główne obszary zagadnień fizyko-budowlanych i ich wzajemne zależności [3]. Fig.1. Examples of main coupled domains and its connections [3]. Jednym z narzędzi do symulacji energetycznych budynków wykorzystującym metodę objętości skończonych jest program ESP-r [3], pozwalający m.in. na analizowanie zachowania się systemów fotowoltaicznych. Posiadając dane meteorologiczne określonego obszaru oraz charakterystyki materiałowe i elektryczne modułów można określić ilość energii otrzymywaną z systemów fotowoltaicznych w danych warunkach. 3. MODELOWANIE SYSTEMÓW FOTOWOLTAICZNYCH Program ESP-r, dostosowany do modelowania komponentów o nietypowych właściwościach (w tym elementów składowych systemów pozyskiwania energii odnawialnej) pozwala przeprowadzać symulacje różnego typu ogniw fotowoltaicznych. Do programu wprowadzony został specjalny moduł, dzięki któremu elementom konstrukcyjnym nadawać można cechy materiałów nietypowych takich jak: szyby termochromiczne, ogniwa fotowoltaiczne, materiały fazowo-zmienne i tym podobne [4,5]. 128

4 szklana tylna płyta warstwa żywiczna warstwa fotowoltaiczna pokrycie szklane Rys.2. Wielowarstwowa konstrukcja ogniwa fotowoltaicznego. Fig.2. Multilayer construction of PV cell. W celu oddania rzeczywistej budowy ogniwa fotowoltaicznego zewnętrzne warstwy konstrukcyjne definiowane są jako transparentne. Algorytm, rozwiązujący zagadnienia transportu energii słonecznej oraz jej konwersji w fotoogniwie uwzględnia przenikanie, absorpcję i emisję energii w zależności od kąta padania promieniowania słonecznego. Algorytm uwzględnia również efekt wewnętrznych odbić, tak aby w ostateczności określić ilości wygenerowanej energii elektrycznej na podstawie docierającego z zewnątrz promieniowania. Pozostała energia promieniowania słonecznego, która nie została zamieniona na energię elektryczną, jest ostatecznie uwzględniana w bilansie energetycznym zadanego węzła jako dodatkowa energia cieplna, która powoduje wzrost temperatury danej warstwy i pozostałych, będących z nią w kontakcie termicznym. Procesy konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną i cieplną analizowane są jako zagadnienia sprzężone. Przykładową budowę ogniwa fotowoltaicznego jako elementu wielowarstwowego dla potrzeb programu ESP-r przedstawiono na rysunku 2. W chwili obecnej w programie ESP-r istnieją dwa podstawowe modele obliczeniowe dla potrzeb analiz energetycznych modułów o dynamicznie zmiennych charakterystykach oraz model uproszczony o założonej, stałej sprawności. Wybierając model o stałej sprawności uzyskujemy wartość energii, jaką jesteśmy w stanie otrzymać z określonej powierzchni modułu przy danym kącie jego nachylenia i kierunku względem stron świata. W modelu tym określamy jedynie jaka ilość promieniowania słonecznego, bezpośredniego i rozproszonego, padającego na powierzchnię modułu jest przetwarzana na energię elektryczną. Spośród wszystkich modeli oferowanych w programie jest on najprostszy i nie 129

5 wymaga znajomości charakterystyk prądowo-napięciowych oraz geometrycznych modułów fotowoltaicznych. Kolejny model obliczeniowy oparty jest na serii pojedynczych ogniw (n) równolegle połączonych w gałęzie (m) i pozwala w sposób dokładny oddać charakter pracy ogniw wykonanych z krzemu krystalicznego i amorficznego. W celu ich dokładnego zdefiniowania niezbędna jest znajomość charakterystyk prądowo-napięciowych podanych przez producenta lub otrzymanych z badań laboratoryjnych. Więcej informacji na temat modelowania ogniw fotowoltaicznych w programie ESP-r znaleźć można m.in. w [4,6], zaś szczegółowe wyniki dla modułów o stałej sprawności w pracach [6,7]. 4. WYNIKI ANALIZ Założono, że analizowane moduły usytuowane są pod kątem 45 0 do powierzchni terenu i zorientowane w kierunku południowym. Powierzchnie modułów znajdują się na otwartym terenie bez elementów zacieniających i mogących odbijać promienie słoneczne bezpośrednio w ich kierunku. Zarówno na przedniej części elementów z ogniwami fotowoltaicznymi jak i tylnej część modułów warunki brzegowe zmieniały się zgodnie z danymi meteorologicznymi TRM dla Warszawy [8] ze względu na sześć podstawowych parametrów pogodowych wykorzystywanych przez program ESP-r (moduły traktowane są jako wolnostojące). Dla potrzeb analiz, z Typowego Roku Meteorologicznego wybrano jeden tydzień lata i jeden tydzień zimy charakteryzujące się największymi i najmniejszymi wartościami energii promieniowania słonecznego. Rysunki 3 i 4 przedstawiają historię promieniowania słonecznego przetwarzanego na energię elektryczną w dwóch wybranych okresach roku, dla modułu o stałej sprawności oraz dwóch modułów wykonanych z ogniw krzemowych. Pokazują one wpływ typu ogniw i ich charakterystyki prądowo-napięciowej na ilość uzyskiwanej energii elektrycznej. Ilość generowanej energii jest zależna od rodzaju zastosowanego materiału do jego budowy i tak dla modułu zbudowanego z ogniw z krzemu amorficznego jest znacznie niższa niż modułu z ogniwami z krzemu krystalicznego. Świadczy to o wyższej sprawności przetwarzania energii słonecznej przez krzem krystaliczny. Jednocześnie obie wartości generowanej energii są znacznie mniejsze w stosunku do modułu, dla którego założono stałą (niezależną od temperatury) sprawność wytwarzania. Należy pamiętać, że otrzymane wartości wygenerowanej energii w zależności od typu ogniw są wartościami dla konkretnych modeli modułów o ściśle określonych parametrach i charakterystykach prądowo-napięciowych. Wykonane analizy mają za zadanie pokazanie wpływu konkretnych parametrów materiałowych i charakterystyk na ilość energii otrzymywanej z różnych, ściśle zdefiniowanych modułów fotowoltaicznych. Na rysunku 5 pokazano roczne zestawienie miesięcznych uzysków energii elektrycznej z modułów fotowoltaicznych zbudowanych z ogniw różnego typu. Otrzymane wyniki pokazują jaki wpływ na ilość generowanej energii ma przyjęcie stałej sprawności ogniwa, przy której pomijany jest spadek jego wydajności wraz ze wzrostem temperatury. Nieznaczny wzrost sprawności, (wiedząc, że ogniwa z krzemu krystalicznego mają sprawność rzędu 13% a amorficzne 7%), przy jednoczesnym pominięciu zależności od temperatury daje w wyniku prawie dwukrotnie większy uzysk energii elektrycznej z promieniowania słonecznego. Przykład ten ilustruje jak istotne jest dokładne modelowanie urządzeń do produkcji energii odnawialnej w celu rzeczywistego oddania charakteru zjawiska i poprawności otrzymanych rezultatów. 130

6 Rys.3. Historia energii otrzymywanej z modułów PV w wybranym tygodniu lata. Fig.3. Electricity produced by PV module in selected summer week. Rys.4. Historia energii otrzymywanej z modułów PV w wybranym tygodniu zimy. Fig.4. Electricity produced by PV module in selected winter week. 131

7 Rys.5. Ilość energii elektrycznej generowanej w poszczególnych miesiącach. Fig.5. Electrical energy obtained from PV in particular months. 5. PODSUMOWANIE Modelując systemy fotowoltaiczne należy uwzględnić różne ich właściwości, takie jak m.in.: materiał, z jakiego wykonane są ogniwa, charakterystyki prądowo-napięciowe modułów, właściwości optyczne i geometryczne płyty absorbującej promieniowanie słoneczne. Materiał z których wykonane są ogniwa ma istotny wpływ na ilość generowanej energii elektrycznej. Zdefiniowane modele ogniwa z krzemu krystalicznego mają o wiele wyższą sprawność od ogniw z krzemu amorficznego co ma istotny wpływ na ilość generowanej energii. Ważną rolę odgrywa również nasłonecznienie i temperatura pracy krzemowych ogniw fotowoltaicznych, która zmienia się w czasie, jest zależna od lokalizacji i wpływa na zmianę wydajności modułów. Wyniki obliczeń symulacyjnych wykonanych dla danych klimatycznych Typowego Roku Meteorologicznego dla Polski pozwalają na oszacowanie ilości energii elektrycznej jaką jesteśmy w stanie otrzymać z systemów fotowoltaicznych w polskich warunkach klimatycznych. Pokazują one, że w okresie letnim systemy fotowoltaiczne w znacznym stopniu mogą przyczynić się do oszczędności energii elektrycznej ze źródeł konwencjonalnych. Okres zimowy jest dla rejonów Polski stosunkowo ubogim w promieniowanie słoneczne, które może być przetworzone na energię elektryczną. Wyniki obliczeń symulacyjnych pozwalają jednak na właściwe zaprojektowanie systemu fotowoltaicznego, który zapewni maksymalne zyski i pozwoli na znaczne oszczędności energii w okresie, gdy wartości promieniowania słonecznego są wysokie. 132

8 6. LITERATURA [1] LEWANDOWSKI W.M., Proekologiczne źródła energii odnawialnej, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, [2] BURESH M., Photovoltaic energy systems design and installation, McGraw-Hill, New York, [3] CLARKE J.A., Energy simulation in building design, 2nd edition, Butterworth Heinemann, Oxford, [4] CLARKE J.A., KELLY N.J., Integrating power flow modelling with building simulation, Energy and Buildings, 33(4) pp , [5] HEIM D., CLARKE J.A., Numerical modelling and thermal simulation of PCMgypsum composites with ESP-r, Energy and Buildings, Vol. 36 (8), pp , [6] KRAWCZYŃSKI S., Komputerowe modelowanie i symulacja w polskich warunkach klimatycznych wybranych systemów fotowoltaicznych, Praca magisterska na Wydziale Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska PŁ, Łódź, [7] KRAWCZYŃSKI S., HEIM D., Modelling and simulation of single PV panel with constant efficiency, Book of Abstracts, The Fifth International Youth Environmental Forum Ecobaltica 2004, St. Petersburg, Russia, s. 58, [8] GAWIN D., KOSSECKA E., Typowy rok meteorologiczny do symulacji wymiany ciepła i masy w budynkach, Politechnika Łódzka, Dr inż. Dariusz Heim, adiunkt w Katedrze Fizyki Budowli i Materiałów Budowlanych Politechniki Łódzkiej. Tematyka zainteresowań: modelowanie i komputerowa symulacja procesów transportu masy i energii w budynkach oraz procesów cieplno-wilgotnościowych w jego elementach, modelowanie i komputerowa symulacja zintegrowanych systemów energetycznych z uwzględnieniem odnawialnych źródeł energii, budownictwo ekologiczne i architektura bioklimatyczna, oświetlenie architektoniczne i urbanistyczne. darkheim@p.lodz.pl Mgr inż. Sebastian Krawczyński, absolwent kierunku dyplomowania Budownictwo Ekologiczne na Wydziale Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska, Politechniki Łódzkiej. Tematyka zainteresowań: modelowanie i komputerowa symulacja odnawialnych źródeł energii oraz ich praktyczne zastosowanie w budownictwie, fotowoltaika, budownictwo drewniane. gutmix79@interia.pl 133