prof. dr hab. inż. Jan Popczyk Gliwice, 2013r.

Transkrypt

1 Kierunek studiów: Elektrotechnika Rodzaj studiów: II stopnia Przedmiot: Energetyka rynkowa Prowadzący: prof. dr hab. inż. Jan Popczyk Opracował: inż. Łukasz Huchel Gliwice, 13r.

2 SPIS TREŚCI 1. Założenia projektowe Cel projektu Zakres projektu Analiza porównawcza Opis Analiza korzystnej doby meteorologicznej Analiza charakteru generacji w źródłach PV Analiza niekorzystnej doby meteorologicznej Analiza charakteru generacji w źródłach PV Analiza możliwości rozwoju źródeł PV w Polsce pod kątem zapotrzebowania Wykorzystanie źródeł PV na poziomie mikroinstalacji prosumenckiej Bilans mikroinstalacji prosumenckiej podczas korzystnej doby meteorologicznej Bilans mikroinstalacji prosumenckiej podczas niekorzystnej doby meteorologicznej podsumowanie Literatura...23.

3 1. ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE Cel projektu Celem projektu jest porównanie generacji w źródłach fotowoltaicznych w Niemczech z zapotrzebowaniem w krajowym systemie elektroenergetycznym. Analiza porównawcza przeprowadzona dla reprezentatywnych dób meteorologicznych pozwoli na ocenę celowości zwiększania mocy zainstalowanej w źródłach fotowoltaicznych w polskim systemie elektroenergetycznym Zakres projektu Zakres projektu obejmuje analizę generacji w źródłach fotowoltaicznych w Niemczech oraz jej porównanie z odpowiadającym jej zapotrzebowaniem w krajowym systemie elektroenergetycznym. Wykonana analiza uwzględnia również możliwości rozwoju technologii fotowoltaicznych w Polsce oraz odnosi je do zapotrzebowania w krajowym systemie elektroenergetycznym. Elementem projektu jest również umożliwienie użytkownikom ILABEPRO bieżącego porównywania generacji w źródłach fotowoltaicznych z zapotrzebowaniem krajowym.

4 2. Analiza porównawcza 2.1. Opis Intensywny rozwój źródeł fotowoltaicznych w Niemczech w ciągu ostatnich lat spowodował zainstalowanie do stycznia 13 roku paneli fotowoltaicznych o mocy blisko 32, GW. Cechą charakterystyczną tego segmentu niemieckiej elektroenergetyki jest jego rozproszony charakter. Ta sama szerokość geograficzna i warunki klimatyczne pozwalają wykonać analizę porównawczą generacji w niemieckich źródłach PV i zapotrzebowania polskiego systemu elektroenergetycznego. Znamiennym i godnym uwagi jest fakt, iż w 1 roku moc źródeł PV w miksie energetycznym Niemiec stanowiła zaledwie,3% mocy zainstalowanej, a w 11 roku wynosiła ponad 3% mocy zainstalowanej. Ten dziesięciokrotny wzrost wiąże się z poziomem stałych taryf wprowadzonych dla fotowoltaiki jak również obniżeniem kosztów instalacji fotowoltaicznej o ponad połowę w drugiej połowie pierwszej dekady XXI wieku. W związku z dużym zainteresowaniem inwestorów fotowoltaiką oraz rządowym planem osiągnięcia do roku pełnej konkurencyjności energii produkowanej w źródłach PV poziom stałych taryf dla fotowoltaiki jest sukcesywnie obniżany. W celu opisu ilościowego możliwości wykorzystania mocy generowanej w źródłach PV w systemie elektroenergetycznym wprowadza się pojęcie czasu wykorzystania. Czas wykorzystania jest wielkością określającą ilość godzin, podczas których moc generowana w źródłach PV pozwoli w pełni na pokrycie zapotrzebowania w systemie powyżej zapotrzebowania podstawowego, stałego dla danej doby. Analizy wykonano dla sześciu reprezentatywnych dób meteorologicznych. Trzech o największej produkcji energii, zwanych dalej dobami korzystnymi, oraz odpowiadającym im zapotrzebowaniom. Trzech o najmniejszej produkcji energii ( zwanych dalej niekorzystnymi ) oraz odpowiadającym im zapotrzebowaniom Analiza korzystnej doby meteorologicznej. Wykorzystując archiwalne dane o produkcji energii w źródłach fotowoltaicznych na stronie wybrano trzy doby podczas których produkcja energii była maksymalna. Wybrano następujące doby: , ,

5 Wykorzystując dane dotyczące produkcji w źródłach PV na stronie oraz zapotrzebowania w krajowym systemie elektroenergetycznym przedstawiono graficznie przebiegi generacji i zapotrzebowania w poszczególnych dobach godzina Rys. 1. Grafik generacji PV i obciążenia KSE godzina Rys. 2. Grafik generacji PV i obciążenia KSE

6 godzina Rys. 3. Grafik generacji PV i obciążenia KSE Całkując numerycznie funkcje opisujące krzywe generacji i zapotrzebowania uzyskano energię wyprodukowaną w źródłach PV i zużytą w polskim systemie elektroenergetycznym. W tabeli 1 przedstawiono wartości energii dla każdej rozpatrywanej doby Produkcja PV,[GWh],[GWh] , , ,7 Tabela 1.

7 Odnosząc wartość produkowanej energii do zapotrzebowania można wyrazić procentowo produkcję w źródłach PV: Produkcja PV % ,4 38,8 29,78 Tabela Analiza charakteru generacji w źródłach PV. Analizując rysunki 1,2 i 3 widać wyraźnie, że szczyt generacji PV przypada w okresie szczytowego zapotrzebowania na moc w ciągu doby. Fizyczne warunki produkcji w źródłach PV powodują, że spełniają one idealną rolę źródeł podszczytowych w systemie elektroenergetycznym. Moc na którą zapotrzebowanie w ciągu doby nie zmienia się musi zostać pokryte przez elektrownie podstawowe, których produkcja jest niezależna od czynników zewnętrznych. Poniższe wykresy przedstawiają możliwości pokrycia zapotrzebowania zmiennego w ciągu doby. Wykresy mocy generowanej na rysunkach 4, i 6 powstały przez dodanie do wartości chwilowych mocy generowanej wartości obciążenia podstawowego, stałego dla danej doby. Taka konstrukcja wykresu ma na celu zobrazowanie możliwości wykorzystania źródeł fotowoltaicznych jako źródeł podszczytowych godzina Rys. 4. Praca źródeł PV jako źródeł podszczytowych.

8 Analizując rysunek 4 można zauważyć zbilansowanie mocy zapotrzebowania zmiennego ( obciążenie podstawowe przyjęto jako 12GW ) i produkcji w źródłach PV w znacznej części doby godzina Rys.. Praca źródeł PV jako źródeł podszczytowych. Analizując rysunek można zauważyć zbilansowanie mocy zapotrzebowania zmiennego ( obciążenie podstawowe przyjęto jako 13GW ) i produkcji w źródłach PV w znacznej części doby.

9 godzina Rys. 6. Praca źródeł PV jako źródeł podszczytowych. Analizując rysunek 6 można zauważyć zbilansowanie mocy zapotrzebowania zmiennego ( obciążenie podstawowe przyjęto jako 11GW ) i produkcji w źródłach PV w znacznej części doby. W tabeli 3 zamieszczono wartości czasu wykorzystania, w których generacja źródeł PV bilansuje obciążenia powyżej obciążenia podstawowego. Chwile przecięcia się krzywych generacji i zapotrzebowania wyznaczono wykorzystując ich aproksymacje. Data Czas wykorzystania :43-19: :8-18: :43-17:37 Tabela 3. W okresach podanych w tabeli 3 źródła PV pracujące jako podszczytowe produkują generują większą moc od potrzebnej do zbilansowania systemu. Nadwyżki produkowanej mocy powyżej mocy zapotrzebowania wynoszą nawet 2% mocy zapotrzebowania. Pełne wykorzystanie mocy generowanej w źródłach PV w okresach w tabeli 3 wymagałoby regulacji mocy generowanej w źródłach pracujących jako podstawowe. Porównując położenie krzywych generacji i zapotrzebowania dla doby meteorologicznej korzystnej i niekorzystnej ( strona 1 i 16 ) można

10 zauważyć, że choć wartość generowanej mocy dla doby niekorzystnej może w ogóle nie wystarczyć na zbilansowanie składowej zmiennej zapotrzebowania to kształt krzywej generacji znacznie lepiej pasuje do krzywej zapotrzebowania Analiza niekorzystnej doby meteorologicznej Wykorzystując archiwalne dane o produkcji energii w źródłach fotowoltaicznych na stronie wybrano trzy doby podczas których produkcja energii była minimalna. Wybrano następujące doby: , , Wykorzystując dane dotyczące produkcji w źródłach PV na stronie oraz zapotrzebowania w krajowym systemie elektroenergetycznym przedstawiono graficznie przebiegi generacji i zapotrzebowania w poszczególnych dobach godz Rys. 7. Grafik generacji PV i obciążenia KSE

11 godz Rys. 8. Grafik generacji PV i obciążenia KSE godz Rys. 9. Grafik generacji PV i obciążenia KSE

12 Całkując numerycznie funkcje opisujące krzywe generacji i zapotrzebowania uzyska się energię wyprodukowaną w źródłach PV i zużytą w polskim systemie elektroenergetycznym. W tabeli 1 przedstawiono wartości energii dla każdej rozpatrywanej doby Produkcja PV,[GWh],[GWh] 3 36, , ,76 Tabela 4. Odnosząc wartość produkowanej energii do zapotrzebowania można wyrazić procentowo produkcję w źródłach PV: Produkcja PV % ,8 1,71 Tabela Analiza charakteru generacji w źródłach PV. Wykresy mocy generowanej na rysunkach 4, i 6 powstały przez dodanie do wartości chwilowych obciążenia podstawowego, stałego dla danej doby. Taka konstrukcja wykresu ma na celu zobrazowanie możliwości wykorzystania źródeł fotowoltaicznych jako źródeł podszczytowych.

13 godz Rys.. Praca źródeł PV jako źródeł podszczytowych godz Rys. 11. Praca źródeł PV jako źródeł podszczytowych.

14 godz Rys. 12. Praca źródeł PV jako źródeł podszczytowych. Źródła PV w rozpatrywanych niekorzystnych dobach meteorologicznych nie zapewniły zbilansowania zmiennego zapotrzebowania, choć doba uzupełniona produkcją niewielkiej mocy za pomocą innych źródeł pozwoliłaby na zbilansowanie zmiennego zapotrzebowania w szerokim zakresie. Charakterystyczną cechą generacji w źródłach PV podczas rozpatrywanych dób meteorologicznych jest płaski kształt krzywej produkowanej mocy. Porównując położenie krzywych generacji i zapotrzebowania dla doby meteorologicznej korzystnej( strona i 11 ) i niekorzystnej można zauważyć, że choć wartość generowanej mocy dla doby niekorzystnej może w ogóle nie wystarczyć na zbilansowanie składowej zmiennej zapotrzebowania to kształt krzywej generacji znacznie lepiej pasuje do krzywej zapotrzebowania, widać to wyraźnie na rysunku 12.

15 3. Analiza możliwości rozwoju źródeł PV w Polsce pod kątem zapotrzebowania KSE. Z początkiem 13 roku do polskiego systemu elektroenergetycznego przyłączone było 23MW mocy zainstalowanej w źródłach PV. Chcąc oszacować możliwy rozwój technologi fotowoltaicznych w ciągu kolejnych dwóch lat można porównać sytuację polskiego rynku z rozwojem fotowoltaiki na rynku niemieckim. W roku w Niemczech w źródłach PV zainstalowane było 17,2GW mocy, gdzie styczniu 13 roku moc zainstalowana w źródłach PV wynosiła 32,GW. Biorąc pod uwagę ciągły spadek cen paneli fotowoltaicznych, ich rosnącą sprawność, konieczność zwiększenia do roku w Polsce udziału źródeł odnawialnych do 1%, szybki czas realizacji inwestycji w dalszych analizach założono roczny przyrost mocy zainstalowanej w PV w Polsce na poziomie 6GW. W 1 roku w Polsce przy założonym rocznym przyroście moc zainstalowana w źródłach PV wynosiłaby 12.23GW. Wykorzystując przeprowadzone w poprzednich rozdziałach analizy porównawcze oraz zakładając takie same warunki pogodowe i klimatyczne jak w Niemczech przedstawiono w tabeli 6 procentowe pokrycie zapotrzebowania energii. Rozważono dwie charakterystyczne doby, obciążenia w sezonie zimowym oraz sezonie letnim. doba ProdukcjaPV % niekorzystna korzystna,3 1,37 Tabela 6.

16 4. Wykorzystanie źródeł PV na poziomie mikroinstalacji prosumenckiej. W celu analizy możliwości wykorzystania źródeł PV w prosumenckiej mikroinstalacji wykorzystano dane dostępne na portalu Portal ten umożliwia prosumentom niemieckim dostęp do danych odnośnie generowanej mocy w zainstalowanych źródłach. W rozdziale tym wykorzystano dane jednego z użytkowników portalu. Portal nie umożliwia kontroli mocy pobieranej z sieci, jedynie mocy wygenerowanej w zainstalowanych źródłach. Udostępnione konto istnieje od kwietnia tego roku, w związku z tym nie możliwa jest analiza dób analizowanych w poprzednich rozdziałach. Rozpatrywana instalacja prosumencka znajduje się w Bochum. Moc zainstalowanych paneli wynosi.7 kw, panele zainstalowane są na dachu budynku mieszkalnego i garażu. Instalacja nie wyposażona jest w baterie akumulatorów, gdyż użytkownik nie zdecydował się na ich zainstalowanie ze względu na koszt ( szacowany dla tej instalacji na 14 tys. euro ). Z powodu braku baterii akumulatorów instalacja prosumencka nastawiona jest przede wszystkim na sprzedaż energii do sieci. Na poniższym rysunku przedstawiono print screen strony z udostępnionego konta na portalu Na poniższym zdjęciu przedstawiono zainstalowane panele na budynku gospodarczym i mieszkalnym, o łącznej mocy.7kw. Rys. 13. Na powyższym rysunku widać grafik generacji w wybranej dobie. Poniżej grafiku znajdują się dane ( od lewej ) wyprodukowanej w źródłach energii, ograniczenia emisji CO2 przy wyprodukowaniu tej samej energii w źródłach konwencjonalnych oraz dochód ze sprzedaży energii.

17 Rys. 14. Mimo iż instalacja, do której odniesiono się w tym rozdziale z powodu braku baterii akumulatorów nie pozwala na zaopatrywanie w ciągu całej doby gospodarstwa domowego to poziom generowanej w ciągu doby energii odniesiony do zapotrzebowania przeciętnego gospodarstwa domowego pozwoli na ocenę możliwości wykorzystania źródeł PV. Zakładając roczne zużycie energii elektrycznej czteroosobowej rodziny na poziomie 4kWh dokonano oceny możliwości wykorzystania zainstalowanych paneli do bilansowania prosumenckiej mikroinstalacji. W celu dokonania analizy wybrano korzystna i niekorzystna dobę meteorologiczną Bilans mikroinstalacji meteorologicznej. prosumenckiej podczas korzystnej doby W celu przedstawienia możliwości wykorzystania energii produkowanej w opisywanej instalacji wybrano dwie korzystne doby meteorologiczne oraz Poniżej zamieszczono grafiki generacji w obu dobach.

18 Rys. 1. Rys. 16.

19 Cechą znamienną przebiegu generacji w źródłach PV w ciągu doby jest szczyt produkcji przypadający na godziny Ta właściwość procesu produkcji wymaga zastosowania baterii akumulatorów w celu spełnienia podstawowego warunku jaki stawia się źródłom PV czyli bilansowanie zapotrzebowania prosumenta. Godziny na które przypada szczyt produkcji są to godziny, w których znacząca większość ludzi znajduje się w pracy, poza domem. Uniemożliwia to bieżące wykorzystanie wyprodukowanej energii. W celu jej wykorzystania niezbędne jest zainstalowania baterii akumulatorów pozwalających gromadzić wyprodukowaną energię w celu jej późniejszego wykorzystania. Zakładając miesięczne zużycie energii 4 osobowej rodziny na poziomie 4kWh dokonano analizy możliwości wykorzystania instalacji PV do bilansowania zapotrzebowania. W tym celu wyznaczono całkowitą wyprodukowaną energię w rozpatrywanej instalacji w okresie Wybrano ten okres ponieważ od marca tego roku właśnie w tym okresie zanotowano największą produkcję, wiąże się to bezpośrednio z deszczowym końcem maja i początkiem czerwca, mimo iż doby o największej produkcji nie mieszczą się w okresie Okres:.4-. Prokucja,[kWh] Zapotrzebowania,[kWh] 38 Tabela 7. Na podstawie powyższej tabeli można stwierdzić, że zastosowania baterii akumulatorów pozwoliłoby na zbilansowanie mikroinstalacji prosumenckiej w rozpatrywanym okresie Bilans mikroinstalacji meteorologicznej. prosumenckiej podczas niekorzystnej doby W celu przedstawienia możliwości wykorzystania energii produkowanej w opisywanej instalacji wybrano dwie niekorzystne doby meteorologiczne oraz Poniżej zamieszczono grafiki generacji w obu dobach. Należy dodać, że w okresie zimowym z pewnością produkcja byłaby mniejsza lecz z powodów wymienionych we wstępie do rozdziału analiza takiego okresu jest niemożliwa.

20 Rys. 17. Rys. 18.

21 Zakładając miesięczne zużycie energii 4 osobowej rodziny na poziomie 4kWh dokonano analizy możliwości wykorzystania instalacji PV do bilansowania zapotrzebowania. W tym celu wyznaczono całkowitą wyprodukowaną energię w rozpatrywanej instalacji w okresie Wybrano ten okres ponieważ właśnie w tym okresie zanotowano najmniejszą produkcję, wiąże się to bezpośrednio z deszczowym końcem maja i początkiem czerwca. Okres: Prokucja,[kWh] 88 Zapotrzebowania,[kWh] 38 Tabela 8. Na podstawie powyższej tabeli można stwierdzić, że zastosowania baterii akumulatorów pozwoliłoby na zbilansowanie mikroinstalacji prosumenckiej w rozpatrywanym okresie. Bardzo ciekawym jest fakt, że na przełomie kwietnia i maja występowały korzystniejsze warunki dla pracy źródeł PV niż na przełomie maja i czerwca. Wynika to bezpośrednia z pochmurnej i deszczowej pogody na przełomie maja i czerwca 13 roku.. Podsumowanie Źródła PV cechują się bardzo zróżnicowanym czasem wykorzystania. Dla korzystnej doby meteorologicznej może wynosić on 11, godziny ( ), w przypadku doby niekorzystnej może on być zerowy. Należy pamiętać jednak, że zerowy czas wykorzystania nie oznacza braku możliwości czy choćby niewielkich możliwości wykorzystania źródeł PV jako źródeł podszczytowych. Należy porównać tutaj dwie doby o zerowym czasie wykorzystania: , , Obie wyżej wymienione doby cechują się zerowym czasem wykorzystania, jednak analiza przebiegu generacji pokazuje, że krzywa generacji przebiega w bardzo zbliżony sposób do krzywej zapotrzebowania ponadto pokrywając około 8% zapotrzebowania zmiennego. Wprowadzona wielkość czasu szczytowego pozwala na ilościową ocenę możliwości wykorzystania źródeł PV w pracy systemu elektroenergetycznego, jednak należy mieć na uwadze, że zerowy czas wykorzystania nie oznacza braku możliwości lub nieopłacalności wykorzystania mocy generowanej w źródłach PV. Wielkość ta może stanowić wskaźnik statystycznego zbilansowania zapotrzebowania zmiennego ( powyżej zapotrzebowania podstawowego ). Koncepcja wykorzystania źródeł PV jako źródeł podszczytowych wiąże się z bardzo licznymi problemami natury technicznej. Stochastyczna generacja w źródłach PV nie pozwala na

22 oparcie na niej bilansowania składowej zmiennej obciążenia w systemie. Duża zmienność i problemy z regulacją innych źródeł w systemie, które mogłyby nadążyć za zmianami produkcji PV, powoduje iż koncepcja wykorzystania źródeł PV jako podszczytowych, mimo wspaniałych możliwości w czasie korzystnej doby meteorologicznej, staje się bardzo problematyczna. Biorąc pod uwagę dokonaną analizę produkcji w mikroinstalacji prosumenckiej oraz możliwość groamdzenia energii na skalę gospodarstwa domowego wykorzystanie źródeł PV w takim charakterze wydaje się o wiele korzystniejsze. Na podstawie przeprowadzonych analiz widać, że odpowiednio dobrane panele pozwalają na zbilansowanie mikroinstalacji prosumenckiej. Możliwość analizy rozwoju niemieckiego sektora źródeł fotowoltaicznych pozwala na uniknięcie błędów popełnionych, a wykorzystać zdobyte już doświadczenia. Rozwój technologi PV pozwoli na coraz lepsze jej wykorzystanie jako źródeł w systemie elektroenergetycznym. Wykorzystanie możliwości jakie niesie zastosowanie źródeł PV jest szansą dla Polski w obecnej trudnej sytuacji. Szybki czas realizacji inwestycji pozwoli na realizację 1% udziału źródeł odnawialnych w produkcji energii. Odpowiedni system wsparcia taryf stałych, rozwiązania administracyjne ułatwiające powstawanie rozproszonych źródeł PV pozwoli skorzystać również wielu przedsiębiorstwom, które będą zapewniać montaż i obsługę powstających źródeł. Ze wzrostem mocy zainstalowanej w źródłach PV należy wiązać również pozytywne skutki gospodarcze, takie jak powstanie wielu nowych miejsc pracy. Możliwą produkcję ogniw fotowoltaicznych z pewnością utrudni silny i bardzo konkurencyjny towar chiński, który stanowi duży problem dla producentów ogniw fotowoltaicznych w Europie.

23 6. Literatura 1. Chwieduk D. (11) Energetyka Słoneczna Budynku. Arkady, Warszawa 2. Chwieduk D. (11) Wybrane problemy energetyki słonecznej. Elektroenergetyka. 11, nr 3(9), pp Nowicki M. (12) Nadchodzi era Słońca, PWN