Energetyka słoneczna systemy fotowoltaiczne. Projektowanie systemów PV

Transkrypt

1 Energetyka słoneczna systemy fotowoltaiczne Wykład 5 Projektowanie systemów PV dr inż. Janusz Teneta C-3 pok. 8 (parter), romus@agh.edu.pl Wydział EAIiIB Katedra Automatyki i Robotyki AGH Kraków 2018 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH

2 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Projektowanie systemów fotowoltaicznych: Cel projektu/aplikacji Parametry elektryczne Lokalizacja Ograniczenia powierzchniowe Ograniczenia środowiskowe Ograniczenia finansowe Proces symulacji Weryfikacja wyników Budowa systemu Nadzór nad pracą systemu

3 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Badawczy Demonstracyjny Wizerunkowy Użytkowy Cel projektu Komercyjny (zarobkowy) Prywatny Typ projektu: Uniwersalny Indywidualny

4 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Parametry elektryczne Maksymalizacja produkcji energii elektrycznej systemy zarobkowe Pokrycie konkretnych potrzeb odbiornika z zasilania fotowoltaicznego: profil godzinowo-mocowy odbiornika napięcie autonomia średnie zapotrzebowanie na moc maksymalna potrzebna moc niezawodność zasilania

5 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Lokalizacja Położenie geograficzne Dostępność energii słonecznej Optymalne kąty ustawienia baterii słonecznych Częściowe zacienienie przez obiekty znajdujące się w pobliżu: drzewa budynki Albedo wpływ odbicia od powierzchni płaskich przed instalacją (woda, trawnik, śnieg)

6 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Narzędzia analizy przestrzennej Google Earth

7 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Narzędzia analizy przestrzennej Dokumentacja fotograficzna

8 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Google Earth Pro Narzędzia analizy przestrzennej

9 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Narzędzia analizy przestrzennej Aplikacje na telefony komórkowe (iphone)

10 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Narzędzia analizy przestrzennej Specjalistyczne urządzenia

11 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Narzędzia analizy przestrzennej Narzędzia geodezyjne dalmierze, poziomice, niwelatory np. Leica Disto D8

12 Obrys horyzontu J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH

13 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Narzędzia analizy przestrzennej Pojedyncze zdjęcia składane w panoramę 360 o przy użyciu programu Horizon v2.0 ( ), a następnie automatycznie generowany plik opisu horyzontu, wczytany do programu PVSyst ( Grafika : program PVSyst oraz Horizon v2.0

14 Widok trójwymiarowy J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH

15 Analiza układu cieni J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH

16 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Analiza układu cieni Grafika : program PVSyst Near Shadings

17 Analiza układu cieni SketchUP 2017 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH

18 Analiza układu cieni SketchUP układ terenu z map Google J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH

19 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Ograniczenia powierzchniowe Powierzchnia dostępna na montaż instalacji: np. dach lub fasada budynku Parametry wytrzymałościowe: Duża powierzchnia baterii słonecznych to duże siły powstające przy wiejącym wietrze

20 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Proces symulacji Reguły ogólne obliczenia ręczne Symulacje komputerowe Optymalizacja systemu iteracyjne dochodzenie do równowagi pomiędzy wskaźnikami jakości a kosztami

21 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Proces symulacji - reguły ogólne W Polsce 1 kwp * systemu fotowoltaicznego jest w stanie wyprodukować rocznie od 950 do 1050 kwh energii elektrycznej. * Wolnostojący, stacjonarny system zorientowany na południe i pochylony pod kątem ok 35 o, pracujący w warunkach czystego horyzontu.

22 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Proces projektowania reguły ogólne Obliczanie pojemności akumulatora w systemie autonomicznym: C = A * E U * 0,8 Gdzie: C - pojemność akumulatora [Ah] A - wymagana autonomia systemu [dni] E - energia jaką potrzebuje odbiornik w ciągu doby [Wh] U - znamionowe napięcie systemu [V]

23 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Komputerowe wspomaganie projektowania Specjalistyczne oprogramowanie darmowe (np. SunnyDesign by SMA, PVGIS, PV*Sol) Specjalistyczne oprogramowanie komercyjne (np. PVSyst, Solar Design Studio, PVSol, PolySun, EasySolar, BlueSol Design, SketchUP + Skelion ) Bazy danych meteo (pomiary własne, SolarGIS, PV GIS (bogate zbiory danych pogodowych na nowej wersji portalu), Meteonorm, Helioclim (SoDa), NASA, Ministerstwo Infrastruktury i Budownictwa, Satel-Light)

24 Wskaźniki jakości systemów PV Solar Fraction (Fsol) udział energii słonecznej w całkowitej ilości energii zużytej przez odbiornik docelowo 100% Performance Ratio (PR) współczynnik wydajności określający stosunek rzeczywiście wyprodukowanej energii elektrycznej do energii, którą mógłby wyprodukować ten sam system pracując z nominalną sprawnością (ŋstc) Final Yield (Yf) uzysk końcowy średnia dzienna ilość wyprodukowanej energii odniesiona do zainstalowanej mocy Samokonsumpcja energii procentowy udział energii wyprodukowanej i zużytej bez oddawania do sieci w całkowitej ilości wyprodukowanej energii Samowystarczalność energetyczna - procentowy udział energii wyprodukowanej i zużytej bez oddawania do sieci w całkowitym zapotrzebowaniu na energię Prosty okres zwrotu czas, po którym zyski (rozumiane również jako oszczędności) z produkcji energii w instalacji zrównoważą koszty inwestycyjne i operacyjne poniesione na budowę i funkcjonowanie tej instalacji J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH

25 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Weryfikacja wyników Przeprowadzenie symulacji na kilku różnych programach oraz dla różnych zestawów danych pogodowych Porównanie wyników z ogólnie przyjętymi regułami (eliminacja błędów grubych ) Porównanie wyników z pomiarami w istniejących już instalacjach, pracujących możliwie blisko docelowej lokalizacji projektowanego systemu

26 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Budowa systemu Wytrzymała konstrukcja nośna Odpowiednie chłodzenie baterii słonecznych Okablowanie odporne na UV i hermetyczne złącza Zabezpieczenia uziemienie, odgromniki i ochronniki przepięciowe Wentylacja akumulatorów System monitoringu elektrycznego i pogodowego

27 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Budowa systemu Wytrzymała konstrukcja nośna Odpowiednie chłodzenie baterii słonecznych Okablowanie odporne na UV i hermetyczne złącza Zabezpieczenia uziemienie, odgromniki i ochronniki przepięciowe, bezpieczniki (prąd cofający) Wentylacja akumulatorów System monitoringu elektrycznego i pogodowego

28 Dobre praktyki przy projektowaniu Łączna moc modułów PV (STC) powinna wynosić od 110 do 125% mocy szczytowej falownika. Jeżeli szeregi modułów łączymy równolegle to muszą one mieć identyczną strukturę elektryczną (typ i ilość modułów) oraz pracować w identycznych warunkach nasłonecznienia (kąty pochylenia, azymut). Wypadkowe napięcie układu otwartego na szeregu modułów nie może przekroczyć maksymalnego napięcia dopuszczanego na wejściu przez falownik przy najniższej spodziewanej temperaturze pracy systemu. Wypadkowe napięcie punktu mocy maksymalnej na szeregu modułów nie może być niższe niż minimalne napięcie, dla którego falownik jest w stanie zaimplementować procedurę MPPT przy najwyższej spodziewanej temperaturze pracy systemu. W przypadku stosowania optymizerów mocy w łańcuchach można łączyć różne moduły PV (również pracujące w rożnych warunkach nasłonecznienia i temperatury a łańcuchy łączone równolegle mogą mieć różne długości. J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH

29 Dobre praktyki przy projektowaniu J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Właściwa konfiguracja modułów PV do falownika źródło: materiały reklamowe falownik SMA STP 17000TL

30 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Dobre praktyki przy projektowaniu Właściwy dobór kąta pochylenia modułów PV: Dla systemów podpiętych do sieci należy wybierać optymalny kąt całoroczny (ok. 35 o ). Dla systemów wydzielonych należy wybierać kąt optymalny dla sezonu zimowego (50 o -60 o ). Dodatkowo taki kąt pomoże w samooczyszczaniu modułów z zalegającego śniegu.

31 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Najczęściej popełniane błędy Niewłaściwy dobór regulatora ładowania do typu zastosowanych akumulatorów Błędnie określona autonomia systemu Stosowanie akumulatorów z ciekłym elektrolitem Brak odpowiedniego chłodzenia modułów PV Złe określenie w projekcie minimalnej i maksymalnej temperatury pracy systemu PV Złe kąty montażu modułów PV Zbyt duże zagęszczenie w przypadku wielorzędowej instalacji PV na gruncie Pionowy montaż modułów PV przy spodziewanym zacienieniu o charakterze horyzontalnym Zła konfiguracja stringów PV podłączanych do falownika Brak zabezpieczeń antyprzepięciowych

32 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Sprawność falownika w systemie PV Sprawność świadczy o jakości falownika, jest ona definiowana jako: η moc wyjsciowa moc wejsciowa P P AC DC Sprawność nie jest stała, lecz zmienia się wraz ze zmianami mocy, temperatury i napięcia wejściowego. Europejska sprawność ważona definiowana jest następująco: η euro 0.03 η 0.1 η 5%P n 30%P n 0.06 η 0.48 η Parametr ten bierze pod uwagę zachowanie falownika przy niecałkowitym obciążeniu Jest to dobry parametr do porównywania różnych falowników. 10%P n 50%P 0.13 η n 0.2 η 20%P n 100%P Sprawność ważona falownika dla południowo- zachodnich rejonów USA. California Energy Commision (CEC) η CEC 0.04 η 0.21 η 10%P 50%P n n 0.05 η 0.53 η 20%P n 75%P n 0.12 η 0.05 η n 30%P n 100%P n

33 Falowniki w systemach PV Falownik centralny (Master-Slave) J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH 33

34 Falowniki w systemach PV Falownik string owy J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH 34

35 Falowniki w systemach PV Falownik multistring owy J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH 35

36 Falowniki w systemach PV Mikroinwertery J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH 36

37 Falowniki w systemach PV Optymizery mocy J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH 37

38 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH 38 Optymizery mocy -funkcjonalności MPPT na poziomie pojedynczego modułu PV Monitoring na poziomie pojedynczego modułu PV W łańcuchu można łączyć szeregowo różne moduły PV Równolegle można łączyć łańcuchy zawierające różne ilości modułów PV W stanach awaryjnych redukcja napięcia na wyjściu optymizera do wartości 1V!

39 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH 39 Optymizery mocy idea stałego napięcia na łańcuchu Warunki idealne Źródło SolarEdge

40 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH 40 Optymizery mocy idea stałego napięcia na łańcuchu Częściowe zacienienie Źródło SolarEdge

41 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Aktywne zarządzanie energią SMA Sunny Home Manager źródło: SMA Smart Home Planning Guidelines

42 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Główne elementy systemu SMA Sunny Home Manager Sunny Home Manager jednostka centralna zarządzająca całym systemem. Posiada połączenie z Internetem (Sunny Potral) i ze wszystkimi lokalnymi elementami systemu. SMA Energy Meter Licznik energii znajdujący się w miejscu przyłączenia do sieci (szeregowo za licznikiem rozliczeniowym). Wyniki pomiarów przekazuje do Sunny Home Manager poprzez sieć LAN źródło: materiały informacyjne SMA Solar Technology AG SMA Radio Controlled Socket zdalne, sterowane radiowo gniazdko sieciowe. Włącza/wyłącza poszczególne odbiorniki oraz mierzy pobieraną przez nie moc. Z Sunny Home Manager komunikuje się poprzez BLUETOOTH

43 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Schemat ideowy systemu SMA Sunny Home Manager źródło: SMA Smart Home Planning Guidelines

44 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Prognozowanie produkcji energii i aktywne zarządzanie odbiornikami źródło: Sunny Home Manager in Sunny portal

45 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Zwiększanie autokonsumpcji energii Przy braku magazynu energii poprzez przesuwanie czasu włączania odbiorników źródło: SMA Smart Home Planning Guidelines

46 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Zwiększanie autokonsumpcji energii Przy małym magazynie energii poprzez jego ładowanie i przesuwanie czasu włączania odbiorników źródło: SMA Smart Home Planning Guidelines

47 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Zwiększanie autokonsumpcji energii Przy dużym magazynie energii poprzez jego ładowanie i przesuwanie czasu włączania odbiorników źródło: SMA Smart Home Planning Guidelines

48 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Minimalizowanie skutków spodziewanego ograniczenia mocy przez OSD Przez ładowanie akumulatorów i włączanie dodatkowych odbiorników źródło: SMA Smart Home Planning Guidelines

49 J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH Nadzór nad pracą systemu Statystyczna analiza parametrów chwilowych Wykrywanie uszkodzeń: Pomiary elektryczne Pomiary termiczne

50 Dziękuję za uwagę!!! J. TENETA "Energetyka słoneczna -systemy fotowoltaiczne" AGH